cover dan isi

77
Program Insentif Dikti, Depdiknas 2010 RISET PENINGKATAN KAPASITAS IPTEK SISTEM PRODUKSI Nomer Urut: 52 LAPORAN AKHIR Kajian Modifikasi Desain Turbin Uap Menjadi Turbin Hidrokarbon untuk PLTP Siklus Biner Daya 100 kW Peneliti Utama: Dipl.-Ing. Suyanto MSc BADAN PENGKAJIAN DAN PENERAPAN TEKONOLGI Pusat Teknologi Konversi dan Konservasi Energi Ji. M.H. Thamrin No.8 Jakarta 10340 TIp. 021-3169754, [email protected] November 2010

Upload: randi-putra

Post on 07-Aug-2015

108 views

Category:

Engineering


9 download

TRANSCRIPT

Page 1: Cover dan isi

Program Insentif Dikti Depdiknas 2010 RISET PENINGKATAN KAPASITAS IPTEK SISTEM PRODUKSI Nomer Urut 52

LAPORAN AKHIR

Kajian Modifikasi Desain Turbin Uap Menjadi Turbin Hidrokarbon untuk PLTP Siklus Biner Daya 100 kW

Peneliti Utama Dipl-Ing Suyanto MSc

BADAN PENGKAJIAN DAN PENERAPAN TEKONOLGI Pusat Teknologi Konversi dan Konservasi Energi

Ji MH Thamrin No8 Jakarta 10340 TIp 021-3169754 suyantowebmailbpptgoid

November 2010

Program Insentif Dikti Depdiknas 2010 RISET PENINGKATAN KAPASITAS IPTEK SISTEM PRODUKSI Nomer Urut 52

LAPORAN AKHIR

Kajian Modifikasi Desain Turbin Uap Menjadi Turbin Hidrokarbon untuk PLTP Siklus Biner Daya 100 kW

Peneliti Utama Dipl-Ing Suyanto MSc

BADAN PENGKAJIAN DAN PENERAPAN TEKONOLGI Pusat Teknologi Konversi dan Konservasi Energi

Ji MH Thamrin No8 Jakarta 10340 Tlp 021-3169754 suyantowebmailbpptgoid

November 2010

Daftar lsi

LEMBAR PENGESAHAN 11

RINGKASAN 111

KATA PENGANTAR v DAFTAR ISI Vl

DAFTAR TABEL Vlll

DAFTAR GAMBAR Vlll

BAB I PENDAHULUAN 1

11 LATAR BELAKANG 1

BAS II TINJAUAN PUSTAKA 4

21 TURBIN UAP PADA PEMBANGKIT liSTRIK TENAGA UAP (PLTU) 4 211 Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) 4

212 Turbin Uap 6 2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage) 9 2122 Turbin lmpuls dan Turbin Reaksi 11

21221 Turbin Impuls 11 21222 Turbin Reaksi 14

2123 Turbin Aksial Radial Helikal 16 2124 Turbin Industri 19

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines) 19 21242 Turbin Kondensasi 22 21243 Turbin ekstraksi 23

22 TEKNOLOGI PLTP SIKLUS SiNER 27 221 Turbin -Generator PLTP Siklus Biner 31 222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle 100kW 32

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW 35 23 REVIEW SPESIFIKASI TURBIN UAP 450 Hp MlliK PTIM 38 24 SIMULASI COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) 39

241 Cara Kerja Program CFD 40 2411 Pre-processor 40 2412 Solver 41 2413 Post-Processor 42

242 Hukum-hukum Konservasi 42 2421 Hukum Kekekalan Massa 43 2422 Kekekalan Momentum 44 2423 Kekekalan Energi 44 2424 Persamaan Keadaan 44 2425 Model Turbulensi 45 2426 Bentuk Umum Persamaan Differensial 45 2427 Koordinat 46 2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat 46

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions 47 2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal 47 2421 Kondisi batas INLET 48 2433 Kondisi batas OUTLET 48 2434 Kondisi batas WALL 49 2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri) 50 2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik) 51 2437 Kondisi batas lainnya 51

BAS III TUJUAN DAN MANFAAT 52

VI

31 TUJUAN DAN SASARAN 52

32 PEMANFAATAN RISTEK 52

33 MANFAAT EKONOMI 53

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil 53 332 Kontribusi terhadap sektor lain 53

BAB IV MEDOTOLOGI 54

4 1 GEOMETRI2D 54

42 VALIDASI MODEL 54

4 3 SIMULASI MODEL 54

44 KONDISI BATAS (BOUNDARY CONDITIONS) 55

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN 58

5 1 GEOMETRI - MODEL TURBIN 450 HP 58

5 2 KONDISI QPERASI 59

521 Inlet 59 522 Outlet 60 523 Gerakan rotor 60 524 Solver 60 525 Turbulensi 60 526 Running model 60

5 3 HASIL SIMULASI 61

54 ANALISA DAN PEMBAHASAN 61

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air 61 542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana 62

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 71

DAFTAR PUSTAKA 72

Vll

Daftar Tabel

TABEL 1 HASIL PENGUKURAN KINERA PROTOTIPE BINARY CYCLE 2KW 33

TABEL 2 NILAI KONDISI KOMPONEN PLTP SIKLUS BINER - DAYA TURBIN 100 KW 36

TABEL 3 DATA PROSES MODEL 59

TABEL 4 PENYETELAN KONDISI BATAS INLET 60

TABEL 5 PENYETELAN KONDISI BATAS OUTLET 60

TABEL 6 DATA YANG DIAMBIL DARI HASIL PERHITUNGAN MODEL SIMULASl 61

Daftar Gambar

GAMBAR 1 PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 1

GAM BAR 2 SKEMA SISTEMjSIKLUS PLTU 5

GAMBAR 3 TURBIN UAP 7

GAM BAR 4 SEBUAH RODA TURBIN 7

GAM BAR 5 TURBIN NEKATINGAT (MULTISTAGE) 10

GAM BAR 6 [LLUSTRASI PRINSIP KERJA TURBIN IMPULS DAN TURBIN REAKSl 11

GAM BAR 7 TURBIN IMPULS SEDERHANA (RATEAU STAGE) 12

GAMBAR 8 TURBIN IMPULS KECEPATAN BERTINGKAT (CURTIS STAGE) 13

GAM BAR 9 TURBIN IMPULS TEKANAN BERTINGKAT (RATEAU) 14

GAMBAR 10 TURBIN REAKSI 15

GAM BAR 11 TURBIN IMPULS- REAKSI 16

GAM BAR 12 TURBIN RADIAL 17

GAM BAR 13 TURBIN HELIKAL 17

GAM BAR 14 KARAKTERISTIK OUTPUT TURBIN UAP 18

GAM BAR 15 DIAGRAM MOLLIER UNTUK BACK PRESURE TURBINES (PI = TEKANAN KITEL TI = TEMPERATUR KITEL Po = TEKANAN UAP PROSES To = TEMPERATUR UAP PROSES) 19

GAMBAR 16 STORK-TURBINE BLADE 20

GAvIBAR 17 DIAGRAM INSTALASI UAP SECARA DIAGRAMATIS (A SALURAN AIR KETEL B PIPA UAP ADIPANAS C SALURAN

UAP KE TURBIN) 21

GAIBAR 18 THERMODYNAMIC CYCLE UNTUK TURBIN TEKANAN LAWAN (PO= TEKANAN KETEL (KGjCM2 ABS) PI =

TEKANAN MASUK TURBIN (KGjCM2 ABS) PT= TEKANAN UAP PEMANAS (KGjCM2 ABS) BC= PROSES TROTTLING

PADA KATUP TROTEL CD=PROSES EKSPANSI PADA TURBIN DA= KONDENSASI (PENGEMBUNAN) DALAM PEMANAS) 22

GAr-IBAR 19 STRAIGHT CONDENSING TURBINE 23

GAvIBAR 20 TURBIN EKSTRAKSI KONDENSASI 23

GAM BAR 21 TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI 24

GAMBAR 22 DIAGRAM EKSPANSI UAP DALAM TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI (MDANNY SAM) 25

GAMBAR 23 TURBIN TEKANAN LAWAN DENGAN PEMBUANGAN DINI 27

GAM BAR 24 SKEMA DIAGRAM PLTP BINARY CYCLE 29

GAMBAR 25 A TURBIN-GENERATOR B SUDU-SUDU ROTOR TURBIN PLTP SIKLUS SINER DI LAHENDONG 32

GAM BAR 26 SISTEM PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 32

GAM BAR 27 SUASANA UJICOBA PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 33

GAM BAR 28 PERHITUNGAN MASS DAN HEAT BALANCE PLTP SIKLUS BINER BRlNE DENGAN TURBINE OUTPUT 100KW 37

GAM BAR 29 KEGIATAN MANUFAKTUR TURBIN PTIM 38

GAM BAR 30 DATA SPESIFIKASI TURBIN UAP 450 HP- PTIM 39

GAM BAR 31 SATU UNIT ELEMEN FLUIDA 43

GAM BAR 32 PENENTUAN DOMAIN MASUK DAN KELUAR UAP MELEWATI SUDU 56

GAM BAR 33 A) GRID DAN MESHING B) SOLID SUDU C) KASKADE SUDU D) SUDU CURTIS TINGKAT PERTAMA 56

GAMBAR 34 GRID DUA DIMENSI (2D) SUDU TURBIN HIDROKARBON 57

GAM BAR 35 GRAFIK KONSTANTA LIFT (CI) TERHADAP WAKTU (SlMULASI UNSTEADY) 57

GAMBAR 36 BAGIAN - BAG IAN GEOMETRI - MODEL TURBIN 450 HP 58

GAMBAR 37 GEOMETRI DAN MESH- MODEL TURBIN 450 HP 59

GAMBAR 38 lA DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 63

Vlll

GAMBAR 39 1B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 64

GAMBAR 40 Ie DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 65

GAMBAR 41 1D DISTRIBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA UA AIR 66

GAMBAR 42 2A DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 67

GAM BAR 43 2B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 68

GAMBAR 44 2e DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA N-BUTANE 69

GAMBAR 45 2D DISTRiBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BUTANE 70

IX

BABI

PENDAHULUAN

11 Latar beakano

Indonesia mempunyai potensi sumberdaya energi panas bumi lebih dari

28100 MW (40 potensi dunia) setara dengan 219 juta barel minyak tersebar

mengikuti jalur vulkanik mulai dari pulau Sumatera Jawa Bali NIT Sulawesi

dan Maluku Sampai dengan saat ini baru sekitar 1189 MW (4) yang

dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik

Sebagai bagian dari Pemerintah BPPT telah mulai mengembangkan PLTP

dengan menerapkan teknologi binary cycle yang sangat sesuai untuk pembangkit

skala kecil BPPT telah merancang-bangun dan menguji prototipe PLTP binary

cycle dengan kapasitas 2kW (Gambar 1) dengan menggunakan fluida

hidrokarbon n-pentane sebagai fluida kerjanya Seluruh sistem dan komponen

utamanya seperti turbin evaporator kondenser dan sistem kontrol didesain dan

dibuat sendiri oleh tim panas bumi BPPT Hasil pengujian di lapangan panas

bumi Wayang Windu menunjukkan bahwa konsep teknologi ini dapat berjalan

dengan baik (prove of concept)

Gambar 1 Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Tahapan selanjutnya adalah mengembangkan pilot plant PLTP binary

cycle berkapasitas 100kW dengan fluida kerja N-Butane Target akhir kegiatan di

BPPT adalah membangun PLTP skala kecil sistem modul 1 MW pada tahun 2013

yang seluruh komponen utamanya (turbin heat exchanger sistem kontrol dB)

bisa dibuat oleh industri dalam negeri PLTP ini akan menggantikan PLTD

sebesar 600 MW yang tersebar di daerah terpencil yang mempunyai potensi

sumber panas bumi sehingga akan mampu mensubstitusi BBM sebesar 450 juta

liter per tahun dan menghemat BBM sebesar Rp 2 trilyun per tahun (sumber

data tahun 2005)

Basic design sistem pilot plant PLTP beserta komponen-komponen

pembangkit dengan kapasitas 100kW ini telah diselesaikan pada tahun anggaran

2008 yang lalu dan berdasarkan pada hasH pengujian dan analisa kinerja

prototipe 2kW serta review terhadap desain awal pilot plant 100kW tersebut

maka perlu dilakukan optimasi terhadap engineering design pilot plant 100kW

ini Salah komponen yang harus dioptimasi adalah turbin hidrokarbon

Disisi lain BPPT juga mengembangkan turbin uap Salah satu turbin uap

yang telah dikembangkan adalah turbin uap berkapasitas 450 HP (335 kWe)

Berdasarkan pada pertimbangan sinergi antar unit di BPPT dan perilaku turbin

terhadap fluida kerja perlu dilakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner Dengan demikian melalui

program insentif riset oleh Departemen Pendidikan Nasional ini diharapkan

akan diketahui apakah turbin uap dapat diappliksikan pada turbin hidrokarbon

serta akan menghasilkan engineering design untuk turbin hidrokarbon yang

optimal dan siap diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara

keseluruhan oleh industri dalam negeri

Pengembangan sistem PLTP Siklus Biner 100 kW oleh PTKKE-BPPT

diharapkan ataupun direncanakan untuk menggunakan turbin yang telah diteliti

oleh PTIM-BPPT Fluida kerja yang akan digunakan untuk sistem PLTP Siklus

Biner 100 kW adalah n-Butana Sedangkan turbin uap yang telah dikembangkan

oleh PTIM menggunakan fluida kerja uap air sehingga perlu dilakukan kajian

untuk mengavaluasi kelayakan teknis penggunaan turbin tersebut untuk PLTP

2

Siklus Biner Kajian ini menggunakan metode simulasi CFD Pada kajian ini

sistem model turbin disederhanakan menjadi 2-D dengan penyesuaian dimensi

turbin yang ada Langkah selanjutnya adalah mensimulasi model turbin dengan

masing-masing fluida kerja uap air dan n-Butana CFD akan menghitung kondisi

fluida kerja selama berada di dalam maupun pada saat keluar dari turbin

Selanjutnya kondisi hasil simulasi tersebut digunakan untuk mengevauasi

kinerja turbin

3

BABII

TINJAUAN PUSTAKA

21 Turbin Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

211 Pembangkit Iistrik tenaga uap (PLTU)

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang

mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasiIkan energi listrik

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang

dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap

panaskering Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam

bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up

awal

Pada PLTU terdapat peralatan-peralatan pendukung mulai dari valve

pompa motor fan boiler turbin generator dan lainnya Terdapat beberapa

sistemsiklus utama dalam sebuah PLTU yaitu

1 siklus air dan uap

Siklus air dan uap itu adalah suatu siklus dimana air diu bah fasanya menjadi

uap kering untuk menggerakan turbin kemudian dikondensasi kembali

menjadi air dan seterusnya

2 siklus air pendingin

Siklus air pendingin digunakan untuk kondensasi uap hasil ekspansi turbin

menjadi air di kondensor

3 Sistem pengolahan bah an bakar

Sistem pengolahan bahan bakar adalah suatu sistem yang mengolah bahan

bakar (batu bara) dari tempat penyimpanan awal (stock pile) sampai

nantinya digunakan untuk pembakaran di boiler

4 Sistem udara pembakaran

Sistem udara pembakaran adalah suatu sistem yang berfungsi menyuplai

udara untuk pembakaran Peralatan utama disana adalah fan yang berfungsi

4

menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk

pembakaran

5 Sistem pengolahan air

Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku Di PLTU yang

mengambil air dari laut ada sistem desalination yakni untuk mengubah air

laut menjadi air tawar kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa

mineral) melalui proses demineralization Kalau PLTU yang sumber airnya

dari sungai proses pengolahan awalnya seperti di PDAM kemudian

sebagian digunakan untuk siklus pendingin sebagian lagi untuk dijadikan air

demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama

6 Sistem pengolahan abu

Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran

di boiler Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan

produk limbah berupa abu kayak asap pada kendaraan bermotor Abu yang

dihasilkan sangat banyak makanya ada peralatan yang namanya

electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu Abu yang

ditangkap oleh EP di-drain secara berkala Abu hasil pembakaran tersebut

bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat

batako Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan Berikut adalah salah

satu contoh skema sistemsiklus PLTU

httpm3holzwordpresscom _bull bullbullbull -

Gambar 2 Skema SistemSikIus PLTU

Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat

dikelompokkan sebagai berikut

5

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 2: Cover dan isi

Program Insentif Dikti Depdiknas 2010 RISET PENINGKATAN KAPASITAS IPTEK SISTEM PRODUKSI Nomer Urut 52

LAPORAN AKHIR

Kajian Modifikasi Desain Turbin Uap Menjadi Turbin Hidrokarbon untuk PLTP Siklus Biner Daya 100 kW

Peneliti Utama Dipl-Ing Suyanto MSc

BADAN PENGKAJIAN DAN PENERAPAN TEKONOLGI Pusat Teknologi Konversi dan Konservasi Energi

Ji MH Thamrin No8 Jakarta 10340 Tlp 021-3169754 suyantowebmailbpptgoid

November 2010

Daftar lsi

LEMBAR PENGESAHAN 11

RINGKASAN 111

KATA PENGANTAR v DAFTAR ISI Vl

DAFTAR TABEL Vlll

DAFTAR GAMBAR Vlll

BAB I PENDAHULUAN 1

11 LATAR BELAKANG 1

BAS II TINJAUAN PUSTAKA 4

21 TURBIN UAP PADA PEMBANGKIT liSTRIK TENAGA UAP (PLTU) 4 211 Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) 4

212 Turbin Uap 6 2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage) 9 2122 Turbin lmpuls dan Turbin Reaksi 11

21221 Turbin Impuls 11 21222 Turbin Reaksi 14

2123 Turbin Aksial Radial Helikal 16 2124 Turbin Industri 19

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines) 19 21242 Turbin Kondensasi 22 21243 Turbin ekstraksi 23

22 TEKNOLOGI PLTP SIKLUS SiNER 27 221 Turbin -Generator PLTP Siklus Biner 31 222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle 100kW 32

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW 35 23 REVIEW SPESIFIKASI TURBIN UAP 450 Hp MlliK PTIM 38 24 SIMULASI COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) 39

241 Cara Kerja Program CFD 40 2411 Pre-processor 40 2412 Solver 41 2413 Post-Processor 42

242 Hukum-hukum Konservasi 42 2421 Hukum Kekekalan Massa 43 2422 Kekekalan Momentum 44 2423 Kekekalan Energi 44 2424 Persamaan Keadaan 44 2425 Model Turbulensi 45 2426 Bentuk Umum Persamaan Differensial 45 2427 Koordinat 46 2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat 46

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions 47 2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal 47 2421 Kondisi batas INLET 48 2433 Kondisi batas OUTLET 48 2434 Kondisi batas WALL 49 2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri) 50 2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik) 51 2437 Kondisi batas lainnya 51

BAS III TUJUAN DAN MANFAAT 52

VI

31 TUJUAN DAN SASARAN 52

32 PEMANFAATAN RISTEK 52

33 MANFAAT EKONOMI 53

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil 53 332 Kontribusi terhadap sektor lain 53

BAB IV MEDOTOLOGI 54

4 1 GEOMETRI2D 54

42 VALIDASI MODEL 54

4 3 SIMULASI MODEL 54

44 KONDISI BATAS (BOUNDARY CONDITIONS) 55

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN 58

5 1 GEOMETRI - MODEL TURBIN 450 HP 58

5 2 KONDISI QPERASI 59

521 Inlet 59 522 Outlet 60 523 Gerakan rotor 60 524 Solver 60 525 Turbulensi 60 526 Running model 60

5 3 HASIL SIMULASI 61

54 ANALISA DAN PEMBAHASAN 61

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air 61 542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana 62

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 71

DAFTAR PUSTAKA 72

Vll

Daftar Tabel

TABEL 1 HASIL PENGUKURAN KINERA PROTOTIPE BINARY CYCLE 2KW 33

TABEL 2 NILAI KONDISI KOMPONEN PLTP SIKLUS BINER - DAYA TURBIN 100 KW 36

TABEL 3 DATA PROSES MODEL 59

TABEL 4 PENYETELAN KONDISI BATAS INLET 60

TABEL 5 PENYETELAN KONDISI BATAS OUTLET 60

TABEL 6 DATA YANG DIAMBIL DARI HASIL PERHITUNGAN MODEL SIMULASl 61

Daftar Gambar

GAMBAR 1 PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 1

GAM BAR 2 SKEMA SISTEMjSIKLUS PLTU 5

GAMBAR 3 TURBIN UAP 7

GAM BAR 4 SEBUAH RODA TURBIN 7

GAM BAR 5 TURBIN NEKATINGAT (MULTISTAGE) 10

GAM BAR 6 [LLUSTRASI PRINSIP KERJA TURBIN IMPULS DAN TURBIN REAKSl 11

GAM BAR 7 TURBIN IMPULS SEDERHANA (RATEAU STAGE) 12

GAMBAR 8 TURBIN IMPULS KECEPATAN BERTINGKAT (CURTIS STAGE) 13

GAM BAR 9 TURBIN IMPULS TEKANAN BERTINGKAT (RATEAU) 14

GAMBAR 10 TURBIN REAKSI 15

GAM BAR 11 TURBIN IMPULS- REAKSI 16

GAM BAR 12 TURBIN RADIAL 17

GAM BAR 13 TURBIN HELIKAL 17

GAM BAR 14 KARAKTERISTIK OUTPUT TURBIN UAP 18

GAM BAR 15 DIAGRAM MOLLIER UNTUK BACK PRESURE TURBINES (PI = TEKANAN KITEL TI = TEMPERATUR KITEL Po = TEKANAN UAP PROSES To = TEMPERATUR UAP PROSES) 19

GAMBAR 16 STORK-TURBINE BLADE 20

GAvIBAR 17 DIAGRAM INSTALASI UAP SECARA DIAGRAMATIS (A SALURAN AIR KETEL B PIPA UAP ADIPANAS C SALURAN

UAP KE TURBIN) 21

GAIBAR 18 THERMODYNAMIC CYCLE UNTUK TURBIN TEKANAN LAWAN (PO= TEKANAN KETEL (KGjCM2 ABS) PI =

TEKANAN MASUK TURBIN (KGjCM2 ABS) PT= TEKANAN UAP PEMANAS (KGjCM2 ABS) BC= PROSES TROTTLING

PADA KATUP TROTEL CD=PROSES EKSPANSI PADA TURBIN DA= KONDENSASI (PENGEMBUNAN) DALAM PEMANAS) 22

GAr-IBAR 19 STRAIGHT CONDENSING TURBINE 23

GAvIBAR 20 TURBIN EKSTRAKSI KONDENSASI 23

GAM BAR 21 TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI 24

GAMBAR 22 DIAGRAM EKSPANSI UAP DALAM TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI (MDANNY SAM) 25

GAMBAR 23 TURBIN TEKANAN LAWAN DENGAN PEMBUANGAN DINI 27

GAM BAR 24 SKEMA DIAGRAM PLTP BINARY CYCLE 29

GAMBAR 25 A TURBIN-GENERATOR B SUDU-SUDU ROTOR TURBIN PLTP SIKLUS SINER DI LAHENDONG 32

GAM BAR 26 SISTEM PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 32

GAM BAR 27 SUASANA UJICOBA PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 33

GAM BAR 28 PERHITUNGAN MASS DAN HEAT BALANCE PLTP SIKLUS BINER BRlNE DENGAN TURBINE OUTPUT 100KW 37

GAM BAR 29 KEGIATAN MANUFAKTUR TURBIN PTIM 38

GAM BAR 30 DATA SPESIFIKASI TURBIN UAP 450 HP- PTIM 39

GAM BAR 31 SATU UNIT ELEMEN FLUIDA 43

GAM BAR 32 PENENTUAN DOMAIN MASUK DAN KELUAR UAP MELEWATI SUDU 56

GAM BAR 33 A) GRID DAN MESHING B) SOLID SUDU C) KASKADE SUDU D) SUDU CURTIS TINGKAT PERTAMA 56

GAMBAR 34 GRID DUA DIMENSI (2D) SUDU TURBIN HIDROKARBON 57

GAM BAR 35 GRAFIK KONSTANTA LIFT (CI) TERHADAP WAKTU (SlMULASI UNSTEADY) 57

GAMBAR 36 BAGIAN - BAG IAN GEOMETRI - MODEL TURBIN 450 HP 58

GAMBAR 37 GEOMETRI DAN MESH- MODEL TURBIN 450 HP 59

GAMBAR 38 lA DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 63

Vlll

GAMBAR 39 1B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 64

GAMBAR 40 Ie DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 65

GAMBAR 41 1D DISTRIBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA UA AIR 66

GAMBAR 42 2A DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 67

GAM BAR 43 2B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 68

GAMBAR 44 2e DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA N-BUTANE 69

GAMBAR 45 2D DISTRiBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BUTANE 70

IX

BABI

PENDAHULUAN

11 Latar beakano

Indonesia mempunyai potensi sumberdaya energi panas bumi lebih dari

28100 MW (40 potensi dunia) setara dengan 219 juta barel minyak tersebar

mengikuti jalur vulkanik mulai dari pulau Sumatera Jawa Bali NIT Sulawesi

dan Maluku Sampai dengan saat ini baru sekitar 1189 MW (4) yang

dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik

Sebagai bagian dari Pemerintah BPPT telah mulai mengembangkan PLTP

dengan menerapkan teknologi binary cycle yang sangat sesuai untuk pembangkit

skala kecil BPPT telah merancang-bangun dan menguji prototipe PLTP binary

cycle dengan kapasitas 2kW (Gambar 1) dengan menggunakan fluida

hidrokarbon n-pentane sebagai fluida kerjanya Seluruh sistem dan komponen

utamanya seperti turbin evaporator kondenser dan sistem kontrol didesain dan

dibuat sendiri oleh tim panas bumi BPPT Hasil pengujian di lapangan panas

bumi Wayang Windu menunjukkan bahwa konsep teknologi ini dapat berjalan

dengan baik (prove of concept)

Gambar 1 Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Tahapan selanjutnya adalah mengembangkan pilot plant PLTP binary

cycle berkapasitas 100kW dengan fluida kerja N-Butane Target akhir kegiatan di

BPPT adalah membangun PLTP skala kecil sistem modul 1 MW pada tahun 2013

yang seluruh komponen utamanya (turbin heat exchanger sistem kontrol dB)

bisa dibuat oleh industri dalam negeri PLTP ini akan menggantikan PLTD

sebesar 600 MW yang tersebar di daerah terpencil yang mempunyai potensi

sumber panas bumi sehingga akan mampu mensubstitusi BBM sebesar 450 juta

liter per tahun dan menghemat BBM sebesar Rp 2 trilyun per tahun (sumber

data tahun 2005)

Basic design sistem pilot plant PLTP beserta komponen-komponen

pembangkit dengan kapasitas 100kW ini telah diselesaikan pada tahun anggaran

2008 yang lalu dan berdasarkan pada hasH pengujian dan analisa kinerja

prototipe 2kW serta review terhadap desain awal pilot plant 100kW tersebut

maka perlu dilakukan optimasi terhadap engineering design pilot plant 100kW

ini Salah komponen yang harus dioptimasi adalah turbin hidrokarbon

Disisi lain BPPT juga mengembangkan turbin uap Salah satu turbin uap

yang telah dikembangkan adalah turbin uap berkapasitas 450 HP (335 kWe)

Berdasarkan pada pertimbangan sinergi antar unit di BPPT dan perilaku turbin

terhadap fluida kerja perlu dilakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner Dengan demikian melalui

program insentif riset oleh Departemen Pendidikan Nasional ini diharapkan

akan diketahui apakah turbin uap dapat diappliksikan pada turbin hidrokarbon

serta akan menghasilkan engineering design untuk turbin hidrokarbon yang

optimal dan siap diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara

keseluruhan oleh industri dalam negeri

Pengembangan sistem PLTP Siklus Biner 100 kW oleh PTKKE-BPPT

diharapkan ataupun direncanakan untuk menggunakan turbin yang telah diteliti

oleh PTIM-BPPT Fluida kerja yang akan digunakan untuk sistem PLTP Siklus

Biner 100 kW adalah n-Butana Sedangkan turbin uap yang telah dikembangkan

oleh PTIM menggunakan fluida kerja uap air sehingga perlu dilakukan kajian

untuk mengavaluasi kelayakan teknis penggunaan turbin tersebut untuk PLTP

2

Siklus Biner Kajian ini menggunakan metode simulasi CFD Pada kajian ini

sistem model turbin disederhanakan menjadi 2-D dengan penyesuaian dimensi

turbin yang ada Langkah selanjutnya adalah mensimulasi model turbin dengan

masing-masing fluida kerja uap air dan n-Butana CFD akan menghitung kondisi

fluida kerja selama berada di dalam maupun pada saat keluar dari turbin

Selanjutnya kondisi hasil simulasi tersebut digunakan untuk mengevauasi

kinerja turbin

3

BABII

TINJAUAN PUSTAKA

21 Turbin Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

211 Pembangkit Iistrik tenaga uap (PLTU)

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang

mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasiIkan energi listrik

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang

dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap

panaskering Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam

bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up

awal

Pada PLTU terdapat peralatan-peralatan pendukung mulai dari valve

pompa motor fan boiler turbin generator dan lainnya Terdapat beberapa

sistemsiklus utama dalam sebuah PLTU yaitu

1 siklus air dan uap

Siklus air dan uap itu adalah suatu siklus dimana air diu bah fasanya menjadi

uap kering untuk menggerakan turbin kemudian dikondensasi kembali

menjadi air dan seterusnya

2 siklus air pendingin

Siklus air pendingin digunakan untuk kondensasi uap hasil ekspansi turbin

menjadi air di kondensor

3 Sistem pengolahan bah an bakar

Sistem pengolahan bahan bakar adalah suatu sistem yang mengolah bahan

bakar (batu bara) dari tempat penyimpanan awal (stock pile) sampai

nantinya digunakan untuk pembakaran di boiler

4 Sistem udara pembakaran

Sistem udara pembakaran adalah suatu sistem yang berfungsi menyuplai

udara untuk pembakaran Peralatan utama disana adalah fan yang berfungsi

4

menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk

pembakaran

5 Sistem pengolahan air

Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku Di PLTU yang

mengambil air dari laut ada sistem desalination yakni untuk mengubah air

laut menjadi air tawar kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa

mineral) melalui proses demineralization Kalau PLTU yang sumber airnya

dari sungai proses pengolahan awalnya seperti di PDAM kemudian

sebagian digunakan untuk siklus pendingin sebagian lagi untuk dijadikan air

demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama

6 Sistem pengolahan abu

Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran

di boiler Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan

produk limbah berupa abu kayak asap pada kendaraan bermotor Abu yang

dihasilkan sangat banyak makanya ada peralatan yang namanya

electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu Abu yang

ditangkap oleh EP di-drain secara berkala Abu hasil pembakaran tersebut

bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat

batako Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan Berikut adalah salah

satu contoh skema sistemsiklus PLTU

httpm3holzwordpresscom _bull bullbullbull -

Gambar 2 Skema SistemSikIus PLTU

Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat

dikelompokkan sebagai berikut

5

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 3: Cover dan isi

Daftar lsi

LEMBAR PENGESAHAN 11

RINGKASAN 111

KATA PENGANTAR v DAFTAR ISI Vl

DAFTAR TABEL Vlll

DAFTAR GAMBAR Vlll

BAB I PENDAHULUAN 1

11 LATAR BELAKANG 1

BAS II TINJAUAN PUSTAKA 4

21 TURBIN UAP PADA PEMBANGKIT liSTRIK TENAGA UAP (PLTU) 4 211 Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) 4

212 Turbin Uap 6 2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage) 9 2122 Turbin lmpuls dan Turbin Reaksi 11

21221 Turbin Impuls 11 21222 Turbin Reaksi 14

2123 Turbin Aksial Radial Helikal 16 2124 Turbin Industri 19

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines) 19 21242 Turbin Kondensasi 22 21243 Turbin ekstraksi 23

22 TEKNOLOGI PLTP SIKLUS SiNER 27 221 Turbin -Generator PLTP Siklus Biner 31 222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle 100kW 32

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW 35 23 REVIEW SPESIFIKASI TURBIN UAP 450 Hp MlliK PTIM 38 24 SIMULASI COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) 39

241 Cara Kerja Program CFD 40 2411 Pre-processor 40 2412 Solver 41 2413 Post-Processor 42

242 Hukum-hukum Konservasi 42 2421 Hukum Kekekalan Massa 43 2422 Kekekalan Momentum 44 2423 Kekekalan Energi 44 2424 Persamaan Keadaan 44 2425 Model Turbulensi 45 2426 Bentuk Umum Persamaan Differensial 45 2427 Koordinat 46 2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat 46

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions 47 2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal 47 2421 Kondisi batas INLET 48 2433 Kondisi batas OUTLET 48 2434 Kondisi batas WALL 49 2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri) 50 2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik) 51 2437 Kondisi batas lainnya 51

BAS III TUJUAN DAN MANFAAT 52

VI

31 TUJUAN DAN SASARAN 52

32 PEMANFAATAN RISTEK 52

33 MANFAAT EKONOMI 53

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil 53 332 Kontribusi terhadap sektor lain 53

BAB IV MEDOTOLOGI 54

4 1 GEOMETRI2D 54

42 VALIDASI MODEL 54

4 3 SIMULASI MODEL 54

44 KONDISI BATAS (BOUNDARY CONDITIONS) 55

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN 58

5 1 GEOMETRI - MODEL TURBIN 450 HP 58

5 2 KONDISI QPERASI 59

521 Inlet 59 522 Outlet 60 523 Gerakan rotor 60 524 Solver 60 525 Turbulensi 60 526 Running model 60

5 3 HASIL SIMULASI 61

54 ANALISA DAN PEMBAHASAN 61

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air 61 542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana 62

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 71

DAFTAR PUSTAKA 72

Vll

Daftar Tabel

TABEL 1 HASIL PENGUKURAN KINERA PROTOTIPE BINARY CYCLE 2KW 33

TABEL 2 NILAI KONDISI KOMPONEN PLTP SIKLUS BINER - DAYA TURBIN 100 KW 36

TABEL 3 DATA PROSES MODEL 59

TABEL 4 PENYETELAN KONDISI BATAS INLET 60

TABEL 5 PENYETELAN KONDISI BATAS OUTLET 60

TABEL 6 DATA YANG DIAMBIL DARI HASIL PERHITUNGAN MODEL SIMULASl 61

Daftar Gambar

GAMBAR 1 PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 1

GAM BAR 2 SKEMA SISTEMjSIKLUS PLTU 5

GAMBAR 3 TURBIN UAP 7

GAM BAR 4 SEBUAH RODA TURBIN 7

GAM BAR 5 TURBIN NEKATINGAT (MULTISTAGE) 10

GAM BAR 6 [LLUSTRASI PRINSIP KERJA TURBIN IMPULS DAN TURBIN REAKSl 11

GAM BAR 7 TURBIN IMPULS SEDERHANA (RATEAU STAGE) 12

GAMBAR 8 TURBIN IMPULS KECEPATAN BERTINGKAT (CURTIS STAGE) 13

GAM BAR 9 TURBIN IMPULS TEKANAN BERTINGKAT (RATEAU) 14

GAMBAR 10 TURBIN REAKSI 15

GAM BAR 11 TURBIN IMPULS- REAKSI 16

GAM BAR 12 TURBIN RADIAL 17

GAM BAR 13 TURBIN HELIKAL 17

GAM BAR 14 KARAKTERISTIK OUTPUT TURBIN UAP 18

GAM BAR 15 DIAGRAM MOLLIER UNTUK BACK PRESURE TURBINES (PI = TEKANAN KITEL TI = TEMPERATUR KITEL Po = TEKANAN UAP PROSES To = TEMPERATUR UAP PROSES) 19

GAMBAR 16 STORK-TURBINE BLADE 20

GAvIBAR 17 DIAGRAM INSTALASI UAP SECARA DIAGRAMATIS (A SALURAN AIR KETEL B PIPA UAP ADIPANAS C SALURAN

UAP KE TURBIN) 21

GAIBAR 18 THERMODYNAMIC CYCLE UNTUK TURBIN TEKANAN LAWAN (PO= TEKANAN KETEL (KGjCM2 ABS) PI =

TEKANAN MASUK TURBIN (KGjCM2 ABS) PT= TEKANAN UAP PEMANAS (KGjCM2 ABS) BC= PROSES TROTTLING

PADA KATUP TROTEL CD=PROSES EKSPANSI PADA TURBIN DA= KONDENSASI (PENGEMBUNAN) DALAM PEMANAS) 22

GAr-IBAR 19 STRAIGHT CONDENSING TURBINE 23

GAvIBAR 20 TURBIN EKSTRAKSI KONDENSASI 23

GAM BAR 21 TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI 24

GAMBAR 22 DIAGRAM EKSPANSI UAP DALAM TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI (MDANNY SAM) 25

GAMBAR 23 TURBIN TEKANAN LAWAN DENGAN PEMBUANGAN DINI 27

GAM BAR 24 SKEMA DIAGRAM PLTP BINARY CYCLE 29

GAMBAR 25 A TURBIN-GENERATOR B SUDU-SUDU ROTOR TURBIN PLTP SIKLUS SINER DI LAHENDONG 32

GAM BAR 26 SISTEM PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 32

GAM BAR 27 SUASANA UJICOBA PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 33

GAM BAR 28 PERHITUNGAN MASS DAN HEAT BALANCE PLTP SIKLUS BINER BRlNE DENGAN TURBINE OUTPUT 100KW 37

GAM BAR 29 KEGIATAN MANUFAKTUR TURBIN PTIM 38

GAM BAR 30 DATA SPESIFIKASI TURBIN UAP 450 HP- PTIM 39

GAM BAR 31 SATU UNIT ELEMEN FLUIDA 43

GAM BAR 32 PENENTUAN DOMAIN MASUK DAN KELUAR UAP MELEWATI SUDU 56

GAM BAR 33 A) GRID DAN MESHING B) SOLID SUDU C) KASKADE SUDU D) SUDU CURTIS TINGKAT PERTAMA 56

GAMBAR 34 GRID DUA DIMENSI (2D) SUDU TURBIN HIDROKARBON 57

GAM BAR 35 GRAFIK KONSTANTA LIFT (CI) TERHADAP WAKTU (SlMULASI UNSTEADY) 57

GAMBAR 36 BAGIAN - BAG IAN GEOMETRI - MODEL TURBIN 450 HP 58

GAMBAR 37 GEOMETRI DAN MESH- MODEL TURBIN 450 HP 59

GAMBAR 38 lA DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 63

Vlll

GAMBAR 39 1B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 64

GAMBAR 40 Ie DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 65

GAMBAR 41 1D DISTRIBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA UA AIR 66

GAMBAR 42 2A DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 67

GAM BAR 43 2B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 68

GAMBAR 44 2e DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA N-BUTANE 69

GAMBAR 45 2D DISTRiBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BUTANE 70

IX

BABI

PENDAHULUAN

11 Latar beakano

Indonesia mempunyai potensi sumberdaya energi panas bumi lebih dari

28100 MW (40 potensi dunia) setara dengan 219 juta barel minyak tersebar

mengikuti jalur vulkanik mulai dari pulau Sumatera Jawa Bali NIT Sulawesi

dan Maluku Sampai dengan saat ini baru sekitar 1189 MW (4) yang

dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik

Sebagai bagian dari Pemerintah BPPT telah mulai mengembangkan PLTP

dengan menerapkan teknologi binary cycle yang sangat sesuai untuk pembangkit

skala kecil BPPT telah merancang-bangun dan menguji prototipe PLTP binary

cycle dengan kapasitas 2kW (Gambar 1) dengan menggunakan fluida

hidrokarbon n-pentane sebagai fluida kerjanya Seluruh sistem dan komponen

utamanya seperti turbin evaporator kondenser dan sistem kontrol didesain dan

dibuat sendiri oleh tim panas bumi BPPT Hasil pengujian di lapangan panas

bumi Wayang Windu menunjukkan bahwa konsep teknologi ini dapat berjalan

dengan baik (prove of concept)

Gambar 1 Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Tahapan selanjutnya adalah mengembangkan pilot plant PLTP binary

cycle berkapasitas 100kW dengan fluida kerja N-Butane Target akhir kegiatan di

BPPT adalah membangun PLTP skala kecil sistem modul 1 MW pada tahun 2013

yang seluruh komponen utamanya (turbin heat exchanger sistem kontrol dB)

bisa dibuat oleh industri dalam negeri PLTP ini akan menggantikan PLTD

sebesar 600 MW yang tersebar di daerah terpencil yang mempunyai potensi

sumber panas bumi sehingga akan mampu mensubstitusi BBM sebesar 450 juta

liter per tahun dan menghemat BBM sebesar Rp 2 trilyun per tahun (sumber

data tahun 2005)

Basic design sistem pilot plant PLTP beserta komponen-komponen

pembangkit dengan kapasitas 100kW ini telah diselesaikan pada tahun anggaran

2008 yang lalu dan berdasarkan pada hasH pengujian dan analisa kinerja

prototipe 2kW serta review terhadap desain awal pilot plant 100kW tersebut

maka perlu dilakukan optimasi terhadap engineering design pilot plant 100kW

ini Salah komponen yang harus dioptimasi adalah turbin hidrokarbon

Disisi lain BPPT juga mengembangkan turbin uap Salah satu turbin uap

yang telah dikembangkan adalah turbin uap berkapasitas 450 HP (335 kWe)

Berdasarkan pada pertimbangan sinergi antar unit di BPPT dan perilaku turbin

terhadap fluida kerja perlu dilakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner Dengan demikian melalui

program insentif riset oleh Departemen Pendidikan Nasional ini diharapkan

akan diketahui apakah turbin uap dapat diappliksikan pada turbin hidrokarbon

serta akan menghasilkan engineering design untuk turbin hidrokarbon yang

optimal dan siap diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara

keseluruhan oleh industri dalam negeri

Pengembangan sistem PLTP Siklus Biner 100 kW oleh PTKKE-BPPT

diharapkan ataupun direncanakan untuk menggunakan turbin yang telah diteliti

oleh PTIM-BPPT Fluida kerja yang akan digunakan untuk sistem PLTP Siklus

Biner 100 kW adalah n-Butana Sedangkan turbin uap yang telah dikembangkan

oleh PTIM menggunakan fluida kerja uap air sehingga perlu dilakukan kajian

untuk mengavaluasi kelayakan teknis penggunaan turbin tersebut untuk PLTP

2

Siklus Biner Kajian ini menggunakan metode simulasi CFD Pada kajian ini

sistem model turbin disederhanakan menjadi 2-D dengan penyesuaian dimensi

turbin yang ada Langkah selanjutnya adalah mensimulasi model turbin dengan

masing-masing fluida kerja uap air dan n-Butana CFD akan menghitung kondisi

fluida kerja selama berada di dalam maupun pada saat keluar dari turbin

Selanjutnya kondisi hasil simulasi tersebut digunakan untuk mengevauasi

kinerja turbin

3

BABII

TINJAUAN PUSTAKA

21 Turbin Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

211 Pembangkit Iistrik tenaga uap (PLTU)

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang

mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasiIkan energi listrik

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang

dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap

panaskering Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam

bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up

awal

Pada PLTU terdapat peralatan-peralatan pendukung mulai dari valve

pompa motor fan boiler turbin generator dan lainnya Terdapat beberapa

sistemsiklus utama dalam sebuah PLTU yaitu

1 siklus air dan uap

Siklus air dan uap itu adalah suatu siklus dimana air diu bah fasanya menjadi

uap kering untuk menggerakan turbin kemudian dikondensasi kembali

menjadi air dan seterusnya

2 siklus air pendingin

Siklus air pendingin digunakan untuk kondensasi uap hasil ekspansi turbin

menjadi air di kondensor

3 Sistem pengolahan bah an bakar

Sistem pengolahan bahan bakar adalah suatu sistem yang mengolah bahan

bakar (batu bara) dari tempat penyimpanan awal (stock pile) sampai

nantinya digunakan untuk pembakaran di boiler

4 Sistem udara pembakaran

Sistem udara pembakaran adalah suatu sistem yang berfungsi menyuplai

udara untuk pembakaran Peralatan utama disana adalah fan yang berfungsi

4

menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk

pembakaran

5 Sistem pengolahan air

Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku Di PLTU yang

mengambil air dari laut ada sistem desalination yakni untuk mengubah air

laut menjadi air tawar kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa

mineral) melalui proses demineralization Kalau PLTU yang sumber airnya

dari sungai proses pengolahan awalnya seperti di PDAM kemudian

sebagian digunakan untuk siklus pendingin sebagian lagi untuk dijadikan air

demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama

6 Sistem pengolahan abu

Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran

di boiler Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan

produk limbah berupa abu kayak asap pada kendaraan bermotor Abu yang

dihasilkan sangat banyak makanya ada peralatan yang namanya

electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu Abu yang

ditangkap oleh EP di-drain secara berkala Abu hasil pembakaran tersebut

bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat

batako Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan Berikut adalah salah

satu contoh skema sistemsiklus PLTU

httpm3holzwordpresscom _bull bullbullbull -

Gambar 2 Skema SistemSikIus PLTU

Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat

dikelompokkan sebagai berikut

5

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 4: Cover dan isi

31 TUJUAN DAN SASARAN 52

32 PEMANFAATAN RISTEK 52

33 MANFAAT EKONOMI 53

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil 53 332 Kontribusi terhadap sektor lain 53

BAB IV MEDOTOLOGI 54

4 1 GEOMETRI2D 54

42 VALIDASI MODEL 54

4 3 SIMULASI MODEL 54

44 KONDISI BATAS (BOUNDARY CONDITIONS) 55

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN 58

5 1 GEOMETRI - MODEL TURBIN 450 HP 58

5 2 KONDISI QPERASI 59

521 Inlet 59 522 Outlet 60 523 Gerakan rotor 60 524 Solver 60 525 Turbulensi 60 526 Running model 60

5 3 HASIL SIMULASI 61

54 ANALISA DAN PEMBAHASAN 61

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air 61 542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana 62

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 71

DAFTAR PUSTAKA 72

Vll

Daftar Tabel

TABEL 1 HASIL PENGUKURAN KINERA PROTOTIPE BINARY CYCLE 2KW 33

TABEL 2 NILAI KONDISI KOMPONEN PLTP SIKLUS BINER - DAYA TURBIN 100 KW 36

TABEL 3 DATA PROSES MODEL 59

TABEL 4 PENYETELAN KONDISI BATAS INLET 60

TABEL 5 PENYETELAN KONDISI BATAS OUTLET 60

TABEL 6 DATA YANG DIAMBIL DARI HASIL PERHITUNGAN MODEL SIMULASl 61

Daftar Gambar

GAMBAR 1 PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 1

GAM BAR 2 SKEMA SISTEMjSIKLUS PLTU 5

GAMBAR 3 TURBIN UAP 7

GAM BAR 4 SEBUAH RODA TURBIN 7

GAM BAR 5 TURBIN NEKATINGAT (MULTISTAGE) 10

GAM BAR 6 [LLUSTRASI PRINSIP KERJA TURBIN IMPULS DAN TURBIN REAKSl 11

GAM BAR 7 TURBIN IMPULS SEDERHANA (RATEAU STAGE) 12

GAMBAR 8 TURBIN IMPULS KECEPATAN BERTINGKAT (CURTIS STAGE) 13

GAM BAR 9 TURBIN IMPULS TEKANAN BERTINGKAT (RATEAU) 14

GAMBAR 10 TURBIN REAKSI 15

GAM BAR 11 TURBIN IMPULS- REAKSI 16

GAM BAR 12 TURBIN RADIAL 17

GAM BAR 13 TURBIN HELIKAL 17

GAM BAR 14 KARAKTERISTIK OUTPUT TURBIN UAP 18

GAM BAR 15 DIAGRAM MOLLIER UNTUK BACK PRESURE TURBINES (PI = TEKANAN KITEL TI = TEMPERATUR KITEL Po = TEKANAN UAP PROSES To = TEMPERATUR UAP PROSES) 19

GAMBAR 16 STORK-TURBINE BLADE 20

GAvIBAR 17 DIAGRAM INSTALASI UAP SECARA DIAGRAMATIS (A SALURAN AIR KETEL B PIPA UAP ADIPANAS C SALURAN

UAP KE TURBIN) 21

GAIBAR 18 THERMODYNAMIC CYCLE UNTUK TURBIN TEKANAN LAWAN (PO= TEKANAN KETEL (KGjCM2 ABS) PI =

TEKANAN MASUK TURBIN (KGjCM2 ABS) PT= TEKANAN UAP PEMANAS (KGjCM2 ABS) BC= PROSES TROTTLING

PADA KATUP TROTEL CD=PROSES EKSPANSI PADA TURBIN DA= KONDENSASI (PENGEMBUNAN) DALAM PEMANAS) 22

GAr-IBAR 19 STRAIGHT CONDENSING TURBINE 23

GAvIBAR 20 TURBIN EKSTRAKSI KONDENSASI 23

GAM BAR 21 TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI 24

GAMBAR 22 DIAGRAM EKSPANSI UAP DALAM TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI (MDANNY SAM) 25

GAMBAR 23 TURBIN TEKANAN LAWAN DENGAN PEMBUANGAN DINI 27

GAM BAR 24 SKEMA DIAGRAM PLTP BINARY CYCLE 29

GAMBAR 25 A TURBIN-GENERATOR B SUDU-SUDU ROTOR TURBIN PLTP SIKLUS SINER DI LAHENDONG 32

GAM BAR 26 SISTEM PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 32

GAM BAR 27 SUASANA UJICOBA PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 33

GAM BAR 28 PERHITUNGAN MASS DAN HEAT BALANCE PLTP SIKLUS BINER BRlNE DENGAN TURBINE OUTPUT 100KW 37

GAM BAR 29 KEGIATAN MANUFAKTUR TURBIN PTIM 38

GAM BAR 30 DATA SPESIFIKASI TURBIN UAP 450 HP- PTIM 39

GAM BAR 31 SATU UNIT ELEMEN FLUIDA 43

GAM BAR 32 PENENTUAN DOMAIN MASUK DAN KELUAR UAP MELEWATI SUDU 56

GAM BAR 33 A) GRID DAN MESHING B) SOLID SUDU C) KASKADE SUDU D) SUDU CURTIS TINGKAT PERTAMA 56

GAMBAR 34 GRID DUA DIMENSI (2D) SUDU TURBIN HIDROKARBON 57

GAM BAR 35 GRAFIK KONSTANTA LIFT (CI) TERHADAP WAKTU (SlMULASI UNSTEADY) 57

GAMBAR 36 BAGIAN - BAG IAN GEOMETRI - MODEL TURBIN 450 HP 58

GAMBAR 37 GEOMETRI DAN MESH- MODEL TURBIN 450 HP 59

GAMBAR 38 lA DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 63

Vlll

GAMBAR 39 1B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 64

GAMBAR 40 Ie DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 65

GAMBAR 41 1D DISTRIBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA UA AIR 66

GAMBAR 42 2A DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 67

GAM BAR 43 2B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 68

GAMBAR 44 2e DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA N-BUTANE 69

GAMBAR 45 2D DISTRiBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BUTANE 70

IX

BABI

PENDAHULUAN

11 Latar beakano

Indonesia mempunyai potensi sumberdaya energi panas bumi lebih dari

28100 MW (40 potensi dunia) setara dengan 219 juta barel minyak tersebar

mengikuti jalur vulkanik mulai dari pulau Sumatera Jawa Bali NIT Sulawesi

dan Maluku Sampai dengan saat ini baru sekitar 1189 MW (4) yang

dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik

Sebagai bagian dari Pemerintah BPPT telah mulai mengembangkan PLTP

dengan menerapkan teknologi binary cycle yang sangat sesuai untuk pembangkit

skala kecil BPPT telah merancang-bangun dan menguji prototipe PLTP binary

cycle dengan kapasitas 2kW (Gambar 1) dengan menggunakan fluida

hidrokarbon n-pentane sebagai fluida kerjanya Seluruh sistem dan komponen

utamanya seperti turbin evaporator kondenser dan sistem kontrol didesain dan

dibuat sendiri oleh tim panas bumi BPPT Hasil pengujian di lapangan panas

bumi Wayang Windu menunjukkan bahwa konsep teknologi ini dapat berjalan

dengan baik (prove of concept)

Gambar 1 Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Tahapan selanjutnya adalah mengembangkan pilot plant PLTP binary

cycle berkapasitas 100kW dengan fluida kerja N-Butane Target akhir kegiatan di

BPPT adalah membangun PLTP skala kecil sistem modul 1 MW pada tahun 2013

yang seluruh komponen utamanya (turbin heat exchanger sistem kontrol dB)

bisa dibuat oleh industri dalam negeri PLTP ini akan menggantikan PLTD

sebesar 600 MW yang tersebar di daerah terpencil yang mempunyai potensi

sumber panas bumi sehingga akan mampu mensubstitusi BBM sebesar 450 juta

liter per tahun dan menghemat BBM sebesar Rp 2 trilyun per tahun (sumber

data tahun 2005)

Basic design sistem pilot plant PLTP beserta komponen-komponen

pembangkit dengan kapasitas 100kW ini telah diselesaikan pada tahun anggaran

2008 yang lalu dan berdasarkan pada hasH pengujian dan analisa kinerja

prototipe 2kW serta review terhadap desain awal pilot plant 100kW tersebut

maka perlu dilakukan optimasi terhadap engineering design pilot plant 100kW

ini Salah komponen yang harus dioptimasi adalah turbin hidrokarbon

Disisi lain BPPT juga mengembangkan turbin uap Salah satu turbin uap

yang telah dikembangkan adalah turbin uap berkapasitas 450 HP (335 kWe)

Berdasarkan pada pertimbangan sinergi antar unit di BPPT dan perilaku turbin

terhadap fluida kerja perlu dilakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner Dengan demikian melalui

program insentif riset oleh Departemen Pendidikan Nasional ini diharapkan

akan diketahui apakah turbin uap dapat diappliksikan pada turbin hidrokarbon

serta akan menghasilkan engineering design untuk turbin hidrokarbon yang

optimal dan siap diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara

keseluruhan oleh industri dalam negeri

Pengembangan sistem PLTP Siklus Biner 100 kW oleh PTKKE-BPPT

diharapkan ataupun direncanakan untuk menggunakan turbin yang telah diteliti

oleh PTIM-BPPT Fluida kerja yang akan digunakan untuk sistem PLTP Siklus

Biner 100 kW adalah n-Butana Sedangkan turbin uap yang telah dikembangkan

oleh PTIM menggunakan fluida kerja uap air sehingga perlu dilakukan kajian

untuk mengavaluasi kelayakan teknis penggunaan turbin tersebut untuk PLTP

2

Siklus Biner Kajian ini menggunakan metode simulasi CFD Pada kajian ini

sistem model turbin disederhanakan menjadi 2-D dengan penyesuaian dimensi

turbin yang ada Langkah selanjutnya adalah mensimulasi model turbin dengan

masing-masing fluida kerja uap air dan n-Butana CFD akan menghitung kondisi

fluida kerja selama berada di dalam maupun pada saat keluar dari turbin

Selanjutnya kondisi hasil simulasi tersebut digunakan untuk mengevauasi

kinerja turbin

3

BABII

TINJAUAN PUSTAKA

21 Turbin Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

211 Pembangkit Iistrik tenaga uap (PLTU)

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang

mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasiIkan energi listrik

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang

dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap

panaskering Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam

bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up

awal

Pada PLTU terdapat peralatan-peralatan pendukung mulai dari valve

pompa motor fan boiler turbin generator dan lainnya Terdapat beberapa

sistemsiklus utama dalam sebuah PLTU yaitu

1 siklus air dan uap

Siklus air dan uap itu adalah suatu siklus dimana air diu bah fasanya menjadi

uap kering untuk menggerakan turbin kemudian dikondensasi kembali

menjadi air dan seterusnya

2 siklus air pendingin

Siklus air pendingin digunakan untuk kondensasi uap hasil ekspansi turbin

menjadi air di kondensor

3 Sistem pengolahan bah an bakar

Sistem pengolahan bahan bakar adalah suatu sistem yang mengolah bahan

bakar (batu bara) dari tempat penyimpanan awal (stock pile) sampai

nantinya digunakan untuk pembakaran di boiler

4 Sistem udara pembakaran

Sistem udara pembakaran adalah suatu sistem yang berfungsi menyuplai

udara untuk pembakaran Peralatan utama disana adalah fan yang berfungsi

4

menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk

pembakaran

5 Sistem pengolahan air

Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku Di PLTU yang

mengambil air dari laut ada sistem desalination yakni untuk mengubah air

laut menjadi air tawar kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa

mineral) melalui proses demineralization Kalau PLTU yang sumber airnya

dari sungai proses pengolahan awalnya seperti di PDAM kemudian

sebagian digunakan untuk siklus pendingin sebagian lagi untuk dijadikan air

demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama

6 Sistem pengolahan abu

Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran

di boiler Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan

produk limbah berupa abu kayak asap pada kendaraan bermotor Abu yang

dihasilkan sangat banyak makanya ada peralatan yang namanya

electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu Abu yang

ditangkap oleh EP di-drain secara berkala Abu hasil pembakaran tersebut

bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat

batako Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan Berikut adalah salah

satu contoh skema sistemsiklus PLTU

httpm3holzwordpresscom _bull bullbullbull -

Gambar 2 Skema SistemSikIus PLTU

Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat

dikelompokkan sebagai berikut

5

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 5: Cover dan isi

Daftar Tabel

TABEL 1 HASIL PENGUKURAN KINERA PROTOTIPE BINARY CYCLE 2KW 33

TABEL 2 NILAI KONDISI KOMPONEN PLTP SIKLUS BINER - DAYA TURBIN 100 KW 36

TABEL 3 DATA PROSES MODEL 59

TABEL 4 PENYETELAN KONDISI BATAS INLET 60

TABEL 5 PENYETELAN KONDISI BATAS OUTLET 60

TABEL 6 DATA YANG DIAMBIL DARI HASIL PERHITUNGAN MODEL SIMULASl 61

Daftar Gambar

GAMBAR 1 PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 1

GAM BAR 2 SKEMA SISTEMjSIKLUS PLTU 5

GAMBAR 3 TURBIN UAP 7

GAM BAR 4 SEBUAH RODA TURBIN 7

GAM BAR 5 TURBIN NEKATINGAT (MULTISTAGE) 10

GAM BAR 6 [LLUSTRASI PRINSIP KERJA TURBIN IMPULS DAN TURBIN REAKSl 11

GAM BAR 7 TURBIN IMPULS SEDERHANA (RATEAU STAGE) 12

GAMBAR 8 TURBIN IMPULS KECEPATAN BERTINGKAT (CURTIS STAGE) 13

GAM BAR 9 TURBIN IMPULS TEKANAN BERTINGKAT (RATEAU) 14

GAMBAR 10 TURBIN REAKSI 15

GAM BAR 11 TURBIN IMPULS- REAKSI 16

GAM BAR 12 TURBIN RADIAL 17

GAM BAR 13 TURBIN HELIKAL 17

GAM BAR 14 KARAKTERISTIK OUTPUT TURBIN UAP 18

GAM BAR 15 DIAGRAM MOLLIER UNTUK BACK PRESURE TURBINES (PI = TEKANAN KITEL TI = TEMPERATUR KITEL Po = TEKANAN UAP PROSES To = TEMPERATUR UAP PROSES) 19

GAMBAR 16 STORK-TURBINE BLADE 20

GAvIBAR 17 DIAGRAM INSTALASI UAP SECARA DIAGRAMATIS (A SALURAN AIR KETEL B PIPA UAP ADIPANAS C SALURAN

UAP KE TURBIN) 21

GAIBAR 18 THERMODYNAMIC CYCLE UNTUK TURBIN TEKANAN LAWAN (PO= TEKANAN KETEL (KGjCM2 ABS) PI =

TEKANAN MASUK TURBIN (KGjCM2 ABS) PT= TEKANAN UAP PEMANAS (KGjCM2 ABS) BC= PROSES TROTTLING

PADA KATUP TROTEL CD=PROSES EKSPANSI PADA TURBIN DA= KONDENSASI (PENGEMBUNAN) DALAM PEMANAS) 22

GAr-IBAR 19 STRAIGHT CONDENSING TURBINE 23

GAvIBAR 20 TURBIN EKSTRAKSI KONDENSASI 23

GAM BAR 21 TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI 24

GAMBAR 22 DIAGRAM EKSPANSI UAP DALAM TURBIN KONDENSASI DENGAN PEMBUANGAN DINI (MDANNY SAM) 25

GAMBAR 23 TURBIN TEKANAN LAWAN DENGAN PEMBUANGAN DINI 27

GAM BAR 24 SKEMA DIAGRAM PLTP BINARY CYCLE 29

GAMBAR 25 A TURBIN-GENERATOR B SUDU-SUDU ROTOR TURBIN PLTP SIKLUS SINER DI LAHENDONG 32

GAM BAR 26 SISTEM PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 32

GAM BAR 27 SUASANA UJICOBA PROTOTIPE PLTP BINARY CYCLE 2KW 33

GAM BAR 28 PERHITUNGAN MASS DAN HEAT BALANCE PLTP SIKLUS BINER BRlNE DENGAN TURBINE OUTPUT 100KW 37

GAM BAR 29 KEGIATAN MANUFAKTUR TURBIN PTIM 38

GAM BAR 30 DATA SPESIFIKASI TURBIN UAP 450 HP- PTIM 39

GAM BAR 31 SATU UNIT ELEMEN FLUIDA 43

GAM BAR 32 PENENTUAN DOMAIN MASUK DAN KELUAR UAP MELEWATI SUDU 56

GAM BAR 33 A) GRID DAN MESHING B) SOLID SUDU C) KASKADE SUDU D) SUDU CURTIS TINGKAT PERTAMA 56

GAMBAR 34 GRID DUA DIMENSI (2D) SUDU TURBIN HIDROKARBON 57

GAM BAR 35 GRAFIK KONSTANTA LIFT (CI) TERHADAP WAKTU (SlMULASI UNSTEADY) 57

GAMBAR 36 BAGIAN - BAG IAN GEOMETRI - MODEL TURBIN 450 HP 58

GAMBAR 37 GEOMETRI DAN MESH- MODEL TURBIN 450 HP 59

GAMBAR 38 lA DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 63

Vlll

GAMBAR 39 1B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 64

GAMBAR 40 Ie DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 65

GAMBAR 41 1D DISTRIBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA UA AIR 66

GAMBAR 42 2A DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 67

GAM BAR 43 2B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 68

GAMBAR 44 2e DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA N-BUTANE 69

GAMBAR 45 2D DISTRiBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BUTANE 70

IX

BABI

PENDAHULUAN

11 Latar beakano

Indonesia mempunyai potensi sumberdaya energi panas bumi lebih dari

28100 MW (40 potensi dunia) setara dengan 219 juta barel minyak tersebar

mengikuti jalur vulkanik mulai dari pulau Sumatera Jawa Bali NIT Sulawesi

dan Maluku Sampai dengan saat ini baru sekitar 1189 MW (4) yang

dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik

Sebagai bagian dari Pemerintah BPPT telah mulai mengembangkan PLTP

dengan menerapkan teknologi binary cycle yang sangat sesuai untuk pembangkit

skala kecil BPPT telah merancang-bangun dan menguji prototipe PLTP binary

cycle dengan kapasitas 2kW (Gambar 1) dengan menggunakan fluida

hidrokarbon n-pentane sebagai fluida kerjanya Seluruh sistem dan komponen

utamanya seperti turbin evaporator kondenser dan sistem kontrol didesain dan

dibuat sendiri oleh tim panas bumi BPPT Hasil pengujian di lapangan panas

bumi Wayang Windu menunjukkan bahwa konsep teknologi ini dapat berjalan

dengan baik (prove of concept)

Gambar 1 Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Tahapan selanjutnya adalah mengembangkan pilot plant PLTP binary

cycle berkapasitas 100kW dengan fluida kerja N-Butane Target akhir kegiatan di

BPPT adalah membangun PLTP skala kecil sistem modul 1 MW pada tahun 2013

yang seluruh komponen utamanya (turbin heat exchanger sistem kontrol dB)

bisa dibuat oleh industri dalam negeri PLTP ini akan menggantikan PLTD

sebesar 600 MW yang tersebar di daerah terpencil yang mempunyai potensi

sumber panas bumi sehingga akan mampu mensubstitusi BBM sebesar 450 juta

liter per tahun dan menghemat BBM sebesar Rp 2 trilyun per tahun (sumber

data tahun 2005)

Basic design sistem pilot plant PLTP beserta komponen-komponen

pembangkit dengan kapasitas 100kW ini telah diselesaikan pada tahun anggaran

2008 yang lalu dan berdasarkan pada hasH pengujian dan analisa kinerja

prototipe 2kW serta review terhadap desain awal pilot plant 100kW tersebut

maka perlu dilakukan optimasi terhadap engineering design pilot plant 100kW

ini Salah komponen yang harus dioptimasi adalah turbin hidrokarbon

Disisi lain BPPT juga mengembangkan turbin uap Salah satu turbin uap

yang telah dikembangkan adalah turbin uap berkapasitas 450 HP (335 kWe)

Berdasarkan pada pertimbangan sinergi antar unit di BPPT dan perilaku turbin

terhadap fluida kerja perlu dilakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner Dengan demikian melalui

program insentif riset oleh Departemen Pendidikan Nasional ini diharapkan

akan diketahui apakah turbin uap dapat diappliksikan pada turbin hidrokarbon

serta akan menghasilkan engineering design untuk turbin hidrokarbon yang

optimal dan siap diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara

keseluruhan oleh industri dalam negeri

Pengembangan sistem PLTP Siklus Biner 100 kW oleh PTKKE-BPPT

diharapkan ataupun direncanakan untuk menggunakan turbin yang telah diteliti

oleh PTIM-BPPT Fluida kerja yang akan digunakan untuk sistem PLTP Siklus

Biner 100 kW adalah n-Butana Sedangkan turbin uap yang telah dikembangkan

oleh PTIM menggunakan fluida kerja uap air sehingga perlu dilakukan kajian

untuk mengavaluasi kelayakan teknis penggunaan turbin tersebut untuk PLTP

2

Siklus Biner Kajian ini menggunakan metode simulasi CFD Pada kajian ini

sistem model turbin disederhanakan menjadi 2-D dengan penyesuaian dimensi

turbin yang ada Langkah selanjutnya adalah mensimulasi model turbin dengan

masing-masing fluida kerja uap air dan n-Butana CFD akan menghitung kondisi

fluida kerja selama berada di dalam maupun pada saat keluar dari turbin

Selanjutnya kondisi hasil simulasi tersebut digunakan untuk mengevauasi

kinerja turbin

3

BABII

TINJAUAN PUSTAKA

21 Turbin Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

211 Pembangkit Iistrik tenaga uap (PLTU)

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang

mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasiIkan energi listrik

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang

dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap

panaskering Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam

bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up

awal

Pada PLTU terdapat peralatan-peralatan pendukung mulai dari valve

pompa motor fan boiler turbin generator dan lainnya Terdapat beberapa

sistemsiklus utama dalam sebuah PLTU yaitu

1 siklus air dan uap

Siklus air dan uap itu adalah suatu siklus dimana air diu bah fasanya menjadi

uap kering untuk menggerakan turbin kemudian dikondensasi kembali

menjadi air dan seterusnya

2 siklus air pendingin

Siklus air pendingin digunakan untuk kondensasi uap hasil ekspansi turbin

menjadi air di kondensor

3 Sistem pengolahan bah an bakar

Sistem pengolahan bahan bakar adalah suatu sistem yang mengolah bahan

bakar (batu bara) dari tempat penyimpanan awal (stock pile) sampai

nantinya digunakan untuk pembakaran di boiler

4 Sistem udara pembakaran

Sistem udara pembakaran adalah suatu sistem yang berfungsi menyuplai

udara untuk pembakaran Peralatan utama disana adalah fan yang berfungsi

4

menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk

pembakaran

5 Sistem pengolahan air

Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku Di PLTU yang

mengambil air dari laut ada sistem desalination yakni untuk mengubah air

laut menjadi air tawar kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa

mineral) melalui proses demineralization Kalau PLTU yang sumber airnya

dari sungai proses pengolahan awalnya seperti di PDAM kemudian

sebagian digunakan untuk siklus pendingin sebagian lagi untuk dijadikan air

demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama

6 Sistem pengolahan abu

Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran

di boiler Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan

produk limbah berupa abu kayak asap pada kendaraan bermotor Abu yang

dihasilkan sangat banyak makanya ada peralatan yang namanya

electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu Abu yang

ditangkap oleh EP di-drain secara berkala Abu hasil pembakaran tersebut

bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat

batako Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan Berikut adalah salah

satu contoh skema sistemsiklus PLTU

httpm3holzwordpresscom _bull bullbullbull -

Gambar 2 Skema SistemSikIus PLTU

Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat

dikelompokkan sebagai berikut

5

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 6: Cover dan isi

GAMBAR 39 1B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 64

GAMBAR 40 Ie DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA UAP AIR 65

GAMBAR 41 1D DISTRIBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA UA AIR 66

GAMBAR 42 2A DISTRIBUSI TEMPERATUR HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 67

GAM BAR 43 2B DISTRIBUSI TEKANAN ABSOLUT HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BuTANE 68

GAMBAR 44 2e DISTRIBUSI MACH NUMBER HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLU IDA KERJA N-BUTANE 69

GAMBAR 45 2D DISTRiBUSI VEKTOR KECEPATAN HASIL SIMULASI TURBIN 450 HP DENGAN FLUIDA KERJA N-BUTANE 70

IX

BABI

PENDAHULUAN

11 Latar beakano

Indonesia mempunyai potensi sumberdaya energi panas bumi lebih dari

28100 MW (40 potensi dunia) setara dengan 219 juta barel minyak tersebar

mengikuti jalur vulkanik mulai dari pulau Sumatera Jawa Bali NIT Sulawesi

dan Maluku Sampai dengan saat ini baru sekitar 1189 MW (4) yang

dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik

Sebagai bagian dari Pemerintah BPPT telah mulai mengembangkan PLTP

dengan menerapkan teknologi binary cycle yang sangat sesuai untuk pembangkit

skala kecil BPPT telah merancang-bangun dan menguji prototipe PLTP binary

cycle dengan kapasitas 2kW (Gambar 1) dengan menggunakan fluida

hidrokarbon n-pentane sebagai fluida kerjanya Seluruh sistem dan komponen

utamanya seperti turbin evaporator kondenser dan sistem kontrol didesain dan

dibuat sendiri oleh tim panas bumi BPPT Hasil pengujian di lapangan panas

bumi Wayang Windu menunjukkan bahwa konsep teknologi ini dapat berjalan

dengan baik (prove of concept)

Gambar 1 Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Tahapan selanjutnya adalah mengembangkan pilot plant PLTP binary

cycle berkapasitas 100kW dengan fluida kerja N-Butane Target akhir kegiatan di

BPPT adalah membangun PLTP skala kecil sistem modul 1 MW pada tahun 2013

yang seluruh komponen utamanya (turbin heat exchanger sistem kontrol dB)

bisa dibuat oleh industri dalam negeri PLTP ini akan menggantikan PLTD

sebesar 600 MW yang tersebar di daerah terpencil yang mempunyai potensi

sumber panas bumi sehingga akan mampu mensubstitusi BBM sebesar 450 juta

liter per tahun dan menghemat BBM sebesar Rp 2 trilyun per tahun (sumber

data tahun 2005)

Basic design sistem pilot plant PLTP beserta komponen-komponen

pembangkit dengan kapasitas 100kW ini telah diselesaikan pada tahun anggaran

2008 yang lalu dan berdasarkan pada hasH pengujian dan analisa kinerja

prototipe 2kW serta review terhadap desain awal pilot plant 100kW tersebut

maka perlu dilakukan optimasi terhadap engineering design pilot plant 100kW

ini Salah komponen yang harus dioptimasi adalah turbin hidrokarbon

Disisi lain BPPT juga mengembangkan turbin uap Salah satu turbin uap

yang telah dikembangkan adalah turbin uap berkapasitas 450 HP (335 kWe)

Berdasarkan pada pertimbangan sinergi antar unit di BPPT dan perilaku turbin

terhadap fluida kerja perlu dilakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner Dengan demikian melalui

program insentif riset oleh Departemen Pendidikan Nasional ini diharapkan

akan diketahui apakah turbin uap dapat diappliksikan pada turbin hidrokarbon

serta akan menghasilkan engineering design untuk turbin hidrokarbon yang

optimal dan siap diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara

keseluruhan oleh industri dalam negeri

Pengembangan sistem PLTP Siklus Biner 100 kW oleh PTKKE-BPPT

diharapkan ataupun direncanakan untuk menggunakan turbin yang telah diteliti

oleh PTIM-BPPT Fluida kerja yang akan digunakan untuk sistem PLTP Siklus

Biner 100 kW adalah n-Butana Sedangkan turbin uap yang telah dikembangkan

oleh PTIM menggunakan fluida kerja uap air sehingga perlu dilakukan kajian

untuk mengavaluasi kelayakan teknis penggunaan turbin tersebut untuk PLTP

2

Siklus Biner Kajian ini menggunakan metode simulasi CFD Pada kajian ini

sistem model turbin disederhanakan menjadi 2-D dengan penyesuaian dimensi

turbin yang ada Langkah selanjutnya adalah mensimulasi model turbin dengan

masing-masing fluida kerja uap air dan n-Butana CFD akan menghitung kondisi

fluida kerja selama berada di dalam maupun pada saat keluar dari turbin

Selanjutnya kondisi hasil simulasi tersebut digunakan untuk mengevauasi

kinerja turbin

3

BABII

TINJAUAN PUSTAKA

21 Turbin Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

211 Pembangkit Iistrik tenaga uap (PLTU)

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang

mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasiIkan energi listrik

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang

dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap

panaskering Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam

bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up

awal

Pada PLTU terdapat peralatan-peralatan pendukung mulai dari valve

pompa motor fan boiler turbin generator dan lainnya Terdapat beberapa

sistemsiklus utama dalam sebuah PLTU yaitu

1 siklus air dan uap

Siklus air dan uap itu adalah suatu siklus dimana air diu bah fasanya menjadi

uap kering untuk menggerakan turbin kemudian dikondensasi kembali

menjadi air dan seterusnya

2 siklus air pendingin

Siklus air pendingin digunakan untuk kondensasi uap hasil ekspansi turbin

menjadi air di kondensor

3 Sistem pengolahan bah an bakar

Sistem pengolahan bahan bakar adalah suatu sistem yang mengolah bahan

bakar (batu bara) dari tempat penyimpanan awal (stock pile) sampai

nantinya digunakan untuk pembakaran di boiler

4 Sistem udara pembakaran

Sistem udara pembakaran adalah suatu sistem yang berfungsi menyuplai

udara untuk pembakaran Peralatan utama disana adalah fan yang berfungsi

4

menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk

pembakaran

5 Sistem pengolahan air

Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku Di PLTU yang

mengambil air dari laut ada sistem desalination yakni untuk mengubah air

laut menjadi air tawar kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa

mineral) melalui proses demineralization Kalau PLTU yang sumber airnya

dari sungai proses pengolahan awalnya seperti di PDAM kemudian

sebagian digunakan untuk siklus pendingin sebagian lagi untuk dijadikan air

demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama

6 Sistem pengolahan abu

Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran

di boiler Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan

produk limbah berupa abu kayak asap pada kendaraan bermotor Abu yang

dihasilkan sangat banyak makanya ada peralatan yang namanya

electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu Abu yang

ditangkap oleh EP di-drain secara berkala Abu hasil pembakaran tersebut

bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat

batako Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan Berikut adalah salah

satu contoh skema sistemsiklus PLTU

httpm3holzwordpresscom _bull bullbullbull -

Gambar 2 Skema SistemSikIus PLTU

Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat

dikelompokkan sebagai berikut

5

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 7: Cover dan isi

BABI

PENDAHULUAN

11 Latar beakano

Indonesia mempunyai potensi sumberdaya energi panas bumi lebih dari

28100 MW (40 potensi dunia) setara dengan 219 juta barel minyak tersebar

mengikuti jalur vulkanik mulai dari pulau Sumatera Jawa Bali NIT Sulawesi

dan Maluku Sampai dengan saat ini baru sekitar 1189 MW (4) yang

dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik

Sebagai bagian dari Pemerintah BPPT telah mulai mengembangkan PLTP

dengan menerapkan teknologi binary cycle yang sangat sesuai untuk pembangkit

skala kecil BPPT telah merancang-bangun dan menguji prototipe PLTP binary

cycle dengan kapasitas 2kW (Gambar 1) dengan menggunakan fluida

hidrokarbon n-pentane sebagai fluida kerjanya Seluruh sistem dan komponen

utamanya seperti turbin evaporator kondenser dan sistem kontrol didesain dan

dibuat sendiri oleh tim panas bumi BPPT Hasil pengujian di lapangan panas

bumi Wayang Windu menunjukkan bahwa konsep teknologi ini dapat berjalan

dengan baik (prove of concept)

Gambar 1 Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Tahapan selanjutnya adalah mengembangkan pilot plant PLTP binary

cycle berkapasitas 100kW dengan fluida kerja N-Butane Target akhir kegiatan di

BPPT adalah membangun PLTP skala kecil sistem modul 1 MW pada tahun 2013

yang seluruh komponen utamanya (turbin heat exchanger sistem kontrol dB)

bisa dibuat oleh industri dalam negeri PLTP ini akan menggantikan PLTD

sebesar 600 MW yang tersebar di daerah terpencil yang mempunyai potensi

sumber panas bumi sehingga akan mampu mensubstitusi BBM sebesar 450 juta

liter per tahun dan menghemat BBM sebesar Rp 2 trilyun per tahun (sumber

data tahun 2005)

Basic design sistem pilot plant PLTP beserta komponen-komponen

pembangkit dengan kapasitas 100kW ini telah diselesaikan pada tahun anggaran

2008 yang lalu dan berdasarkan pada hasH pengujian dan analisa kinerja

prototipe 2kW serta review terhadap desain awal pilot plant 100kW tersebut

maka perlu dilakukan optimasi terhadap engineering design pilot plant 100kW

ini Salah komponen yang harus dioptimasi adalah turbin hidrokarbon

Disisi lain BPPT juga mengembangkan turbin uap Salah satu turbin uap

yang telah dikembangkan adalah turbin uap berkapasitas 450 HP (335 kWe)

Berdasarkan pada pertimbangan sinergi antar unit di BPPT dan perilaku turbin

terhadap fluida kerja perlu dilakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner Dengan demikian melalui

program insentif riset oleh Departemen Pendidikan Nasional ini diharapkan

akan diketahui apakah turbin uap dapat diappliksikan pada turbin hidrokarbon

serta akan menghasilkan engineering design untuk turbin hidrokarbon yang

optimal dan siap diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara

keseluruhan oleh industri dalam negeri

Pengembangan sistem PLTP Siklus Biner 100 kW oleh PTKKE-BPPT

diharapkan ataupun direncanakan untuk menggunakan turbin yang telah diteliti

oleh PTIM-BPPT Fluida kerja yang akan digunakan untuk sistem PLTP Siklus

Biner 100 kW adalah n-Butana Sedangkan turbin uap yang telah dikembangkan

oleh PTIM menggunakan fluida kerja uap air sehingga perlu dilakukan kajian

untuk mengavaluasi kelayakan teknis penggunaan turbin tersebut untuk PLTP

2

Siklus Biner Kajian ini menggunakan metode simulasi CFD Pada kajian ini

sistem model turbin disederhanakan menjadi 2-D dengan penyesuaian dimensi

turbin yang ada Langkah selanjutnya adalah mensimulasi model turbin dengan

masing-masing fluida kerja uap air dan n-Butana CFD akan menghitung kondisi

fluida kerja selama berada di dalam maupun pada saat keluar dari turbin

Selanjutnya kondisi hasil simulasi tersebut digunakan untuk mengevauasi

kinerja turbin

3

BABII

TINJAUAN PUSTAKA

21 Turbin Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

211 Pembangkit Iistrik tenaga uap (PLTU)

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang

mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasiIkan energi listrik

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang

dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap

panaskering Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam

bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up

awal

Pada PLTU terdapat peralatan-peralatan pendukung mulai dari valve

pompa motor fan boiler turbin generator dan lainnya Terdapat beberapa

sistemsiklus utama dalam sebuah PLTU yaitu

1 siklus air dan uap

Siklus air dan uap itu adalah suatu siklus dimana air diu bah fasanya menjadi

uap kering untuk menggerakan turbin kemudian dikondensasi kembali

menjadi air dan seterusnya

2 siklus air pendingin

Siklus air pendingin digunakan untuk kondensasi uap hasil ekspansi turbin

menjadi air di kondensor

3 Sistem pengolahan bah an bakar

Sistem pengolahan bahan bakar adalah suatu sistem yang mengolah bahan

bakar (batu bara) dari tempat penyimpanan awal (stock pile) sampai

nantinya digunakan untuk pembakaran di boiler

4 Sistem udara pembakaran

Sistem udara pembakaran adalah suatu sistem yang berfungsi menyuplai

udara untuk pembakaran Peralatan utama disana adalah fan yang berfungsi

4

menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk

pembakaran

5 Sistem pengolahan air

Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku Di PLTU yang

mengambil air dari laut ada sistem desalination yakni untuk mengubah air

laut menjadi air tawar kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa

mineral) melalui proses demineralization Kalau PLTU yang sumber airnya

dari sungai proses pengolahan awalnya seperti di PDAM kemudian

sebagian digunakan untuk siklus pendingin sebagian lagi untuk dijadikan air

demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama

6 Sistem pengolahan abu

Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran

di boiler Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan

produk limbah berupa abu kayak asap pada kendaraan bermotor Abu yang

dihasilkan sangat banyak makanya ada peralatan yang namanya

electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu Abu yang

ditangkap oleh EP di-drain secara berkala Abu hasil pembakaran tersebut

bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat

batako Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan Berikut adalah salah

satu contoh skema sistemsiklus PLTU

httpm3holzwordpresscom _bull bullbullbull -

Gambar 2 Skema SistemSikIus PLTU

Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat

dikelompokkan sebagai berikut

5

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 8: Cover dan isi

Tahapan selanjutnya adalah mengembangkan pilot plant PLTP binary

cycle berkapasitas 100kW dengan fluida kerja N-Butane Target akhir kegiatan di

BPPT adalah membangun PLTP skala kecil sistem modul 1 MW pada tahun 2013

yang seluruh komponen utamanya (turbin heat exchanger sistem kontrol dB)

bisa dibuat oleh industri dalam negeri PLTP ini akan menggantikan PLTD

sebesar 600 MW yang tersebar di daerah terpencil yang mempunyai potensi

sumber panas bumi sehingga akan mampu mensubstitusi BBM sebesar 450 juta

liter per tahun dan menghemat BBM sebesar Rp 2 trilyun per tahun (sumber

data tahun 2005)

Basic design sistem pilot plant PLTP beserta komponen-komponen

pembangkit dengan kapasitas 100kW ini telah diselesaikan pada tahun anggaran

2008 yang lalu dan berdasarkan pada hasH pengujian dan analisa kinerja

prototipe 2kW serta review terhadap desain awal pilot plant 100kW tersebut

maka perlu dilakukan optimasi terhadap engineering design pilot plant 100kW

ini Salah komponen yang harus dioptimasi adalah turbin hidrokarbon

Disisi lain BPPT juga mengembangkan turbin uap Salah satu turbin uap

yang telah dikembangkan adalah turbin uap berkapasitas 450 HP (335 kWe)

Berdasarkan pada pertimbangan sinergi antar unit di BPPT dan perilaku turbin

terhadap fluida kerja perlu dilakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner Dengan demikian melalui

program insentif riset oleh Departemen Pendidikan Nasional ini diharapkan

akan diketahui apakah turbin uap dapat diappliksikan pada turbin hidrokarbon

serta akan menghasilkan engineering design untuk turbin hidrokarbon yang

optimal dan siap diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara

keseluruhan oleh industri dalam negeri

Pengembangan sistem PLTP Siklus Biner 100 kW oleh PTKKE-BPPT

diharapkan ataupun direncanakan untuk menggunakan turbin yang telah diteliti

oleh PTIM-BPPT Fluida kerja yang akan digunakan untuk sistem PLTP Siklus

Biner 100 kW adalah n-Butana Sedangkan turbin uap yang telah dikembangkan

oleh PTIM menggunakan fluida kerja uap air sehingga perlu dilakukan kajian

untuk mengavaluasi kelayakan teknis penggunaan turbin tersebut untuk PLTP

2

Siklus Biner Kajian ini menggunakan metode simulasi CFD Pada kajian ini

sistem model turbin disederhanakan menjadi 2-D dengan penyesuaian dimensi

turbin yang ada Langkah selanjutnya adalah mensimulasi model turbin dengan

masing-masing fluida kerja uap air dan n-Butana CFD akan menghitung kondisi

fluida kerja selama berada di dalam maupun pada saat keluar dari turbin

Selanjutnya kondisi hasil simulasi tersebut digunakan untuk mengevauasi

kinerja turbin

3

BABII

TINJAUAN PUSTAKA

21 Turbin Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

211 Pembangkit Iistrik tenaga uap (PLTU)

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang

mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasiIkan energi listrik

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang

dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap

panaskering Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam

bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up

awal

Pada PLTU terdapat peralatan-peralatan pendukung mulai dari valve

pompa motor fan boiler turbin generator dan lainnya Terdapat beberapa

sistemsiklus utama dalam sebuah PLTU yaitu

1 siklus air dan uap

Siklus air dan uap itu adalah suatu siklus dimana air diu bah fasanya menjadi

uap kering untuk menggerakan turbin kemudian dikondensasi kembali

menjadi air dan seterusnya

2 siklus air pendingin

Siklus air pendingin digunakan untuk kondensasi uap hasil ekspansi turbin

menjadi air di kondensor

3 Sistem pengolahan bah an bakar

Sistem pengolahan bahan bakar adalah suatu sistem yang mengolah bahan

bakar (batu bara) dari tempat penyimpanan awal (stock pile) sampai

nantinya digunakan untuk pembakaran di boiler

4 Sistem udara pembakaran

Sistem udara pembakaran adalah suatu sistem yang berfungsi menyuplai

udara untuk pembakaran Peralatan utama disana adalah fan yang berfungsi

4

menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk

pembakaran

5 Sistem pengolahan air

Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku Di PLTU yang

mengambil air dari laut ada sistem desalination yakni untuk mengubah air

laut menjadi air tawar kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa

mineral) melalui proses demineralization Kalau PLTU yang sumber airnya

dari sungai proses pengolahan awalnya seperti di PDAM kemudian

sebagian digunakan untuk siklus pendingin sebagian lagi untuk dijadikan air

demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama

6 Sistem pengolahan abu

Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran

di boiler Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan

produk limbah berupa abu kayak asap pada kendaraan bermotor Abu yang

dihasilkan sangat banyak makanya ada peralatan yang namanya

electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu Abu yang

ditangkap oleh EP di-drain secara berkala Abu hasil pembakaran tersebut

bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat

batako Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan Berikut adalah salah

satu contoh skema sistemsiklus PLTU

httpm3holzwordpresscom _bull bullbullbull -

Gambar 2 Skema SistemSikIus PLTU

Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat

dikelompokkan sebagai berikut

5

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 9: Cover dan isi

Siklus Biner Kajian ini menggunakan metode simulasi CFD Pada kajian ini

sistem model turbin disederhanakan menjadi 2-D dengan penyesuaian dimensi

turbin yang ada Langkah selanjutnya adalah mensimulasi model turbin dengan

masing-masing fluida kerja uap air dan n-Butana CFD akan menghitung kondisi

fluida kerja selama berada di dalam maupun pada saat keluar dari turbin

Selanjutnya kondisi hasil simulasi tersebut digunakan untuk mengevauasi

kinerja turbin

3

BABII

TINJAUAN PUSTAKA

21 Turbin Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

211 Pembangkit Iistrik tenaga uap (PLTU)

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang

mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasiIkan energi listrik

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang

dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap

panaskering Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam

bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up

awal

Pada PLTU terdapat peralatan-peralatan pendukung mulai dari valve

pompa motor fan boiler turbin generator dan lainnya Terdapat beberapa

sistemsiklus utama dalam sebuah PLTU yaitu

1 siklus air dan uap

Siklus air dan uap itu adalah suatu siklus dimana air diu bah fasanya menjadi

uap kering untuk menggerakan turbin kemudian dikondensasi kembali

menjadi air dan seterusnya

2 siklus air pendingin

Siklus air pendingin digunakan untuk kondensasi uap hasil ekspansi turbin

menjadi air di kondensor

3 Sistem pengolahan bah an bakar

Sistem pengolahan bahan bakar adalah suatu sistem yang mengolah bahan

bakar (batu bara) dari tempat penyimpanan awal (stock pile) sampai

nantinya digunakan untuk pembakaran di boiler

4 Sistem udara pembakaran

Sistem udara pembakaran adalah suatu sistem yang berfungsi menyuplai

udara untuk pembakaran Peralatan utama disana adalah fan yang berfungsi

4

menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk

pembakaran

5 Sistem pengolahan air

Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku Di PLTU yang

mengambil air dari laut ada sistem desalination yakni untuk mengubah air

laut menjadi air tawar kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa

mineral) melalui proses demineralization Kalau PLTU yang sumber airnya

dari sungai proses pengolahan awalnya seperti di PDAM kemudian

sebagian digunakan untuk siklus pendingin sebagian lagi untuk dijadikan air

demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama

6 Sistem pengolahan abu

Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran

di boiler Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan

produk limbah berupa abu kayak asap pada kendaraan bermotor Abu yang

dihasilkan sangat banyak makanya ada peralatan yang namanya

electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu Abu yang

ditangkap oleh EP di-drain secara berkala Abu hasil pembakaran tersebut

bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat

batako Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan Berikut adalah salah

satu contoh skema sistemsiklus PLTU

httpm3holzwordpresscom _bull bullbullbull -

Gambar 2 Skema SistemSikIus PLTU

Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat

dikelompokkan sebagai berikut

5

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 10: Cover dan isi

BABII

TINJAUAN PUSTAKA

21 Turbin Uap Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

211 Pembangkit Iistrik tenaga uap (PLTU)

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang

mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasiIkan energi listrik

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang

dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap

panaskering Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam

bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up

awal

Pada PLTU terdapat peralatan-peralatan pendukung mulai dari valve

pompa motor fan boiler turbin generator dan lainnya Terdapat beberapa

sistemsiklus utama dalam sebuah PLTU yaitu

1 siklus air dan uap

Siklus air dan uap itu adalah suatu siklus dimana air diu bah fasanya menjadi

uap kering untuk menggerakan turbin kemudian dikondensasi kembali

menjadi air dan seterusnya

2 siklus air pendingin

Siklus air pendingin digunakan untuk kondensasi uap hasil ekspansi turbin

menjadi air di kondensor

3 Sistem pengolahan bah an bakar

Sistem pengolahan bahan bakar adalah suatu sistem yang mengolah bahan

bakar (batu bara) dari tempat penyimpanan awal (stock pile) sampai

nantinya digunakan untuk pembakaran di boiler

4 Sistem udara pembakaran

Sistem udara pembakaran adalah suatu sistem yang berfungsi menyuplai

udara untuk pembakaran Peralatan utama disana adalah fan yang berfungsi

4

menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk

pembakaran

5 Sistem pengolahan air

Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku Di PLTU yang

mengambil air dari laut ada sistem desalination yakni untuk mengubah air

laut menjadi air tawar kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa

mineral) melalui proses demineralization Kalau PLTU yang sumber airnya

dari sungai proses pengolahan awalnya seperti di PDAM kemudian

sebagian digunakan untuk siklus pendingin sebagian lagi untuk dijadikan air

demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama

6 Sistem pengolahan abu

Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran

di boiler Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan

produk limbah berupa abu kayak asap pada kendaraan bermotor Abu yang

dihasilkan sangat banyak makanya ada peralatan yang namanya

electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu Abu yang

ditangkap oleh EP di-drain secara berkala Abu hasil pembakaran tersebut

bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat

batako Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan Berikut adalah salah

satu contoh skema sistemsiklus PLTU

httpm3holzwordpresscom _bull bullbullbull -

Gambar 2 Skema SistemSikIus PLTU

Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat

dikelompokkan sebagai berikut

5

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 11: Cover dan isi

menghisap udara dari luar dan menghembuskannya ke dalam boiler untuk

pembakaran

5 Sistem pengolahan air

Sistem pengolahan air adalah sistem yang mengolah air baku Di PLTU yang

mengambil air dari laut ada sistem desalination yakni untuk mengubah air

laut menjadi air tawar kemudian diolah lagi menjadi air demin (air tanpa

mineral) melalui proses demineralization Kalau PLTU yang sumber airnya

dari sungai proses pengolahan awalnya seperti di PDAM kemudian

sebagian digunakan untuk siklus pendingin sebagian lagi untuk dijadikan air

demin yang nantinya digunakan pada siklus air-uap utama

6 Sistem pengolahan abu

Sistem pengolahan abu adalah sistem yang mengolah abu hasil pembakaran

di boiler Batubara yang merupakan bahan bakar PLTU menghasilkan

produk limbah berupa abu kayak asap pada kendaraan bermotor Abu yang

dihasilkan sangat banyak makanya ada peralatan yang namanya

electrostatic precipitator (EP) yang fungsinya menangkap abu Abu yang

ditangkap oleh EP di-drain secara berkala Abu hasil pembakaran tersebut

bisa dimanfaatkan untuk campuran semen dan bahan campuran pembuat

batako Dan di pulau Jawa hal ini sudah dimanfaatkan Berikut adalah salah

satu contoh skema sistemsiklus PLTU

httpm3holzwordpresscom _bull bullbullbull -

Gambar 2 Skema SistemSikIus PLTU

Komponen-komponen PLTU berdasarkan mekanikal dan eletrikal dapat

dikelompokkan sebagai berikut

5

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 12: Cover dan isi

bull Steam Turbine-Generator

bull Steam Generator amp Fuel Handling

bull Cooling Water System

bull Water Treatment System

bull Plant Electrical System

bull Instrumentation amp Control (DCS)

bull Civil Structures

bull Common Facilities

o Emergency Diesel

o Air Conditioning System

o Overhead Crane

o Loader Capacity

o Compressed Air System

o Plant Lighting amp Lightening

o Hydrant System

o Laboratory amp Workshop

bull Balance Of Plant

o Boiler Feed Water Pumps

o De Aerator

o Piping Fittings Valves amp Instrumentations

bull Transmission 150 kV

212 Turbin Uap

Secara urn urn prinsip kerja turbin dapat dijeIaskan sebagai berikut

Turbin merupakan perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi entalpi

fluida kerja menjadi energi mekanik Turbin telah mengalami perkembangan

dalam desainnya Gambar dibawah ini adalah gambar turbin lengkap secara 3D

6

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 13: Cover dan isi

Gambar 3 Turbin Uap

Turbin yang paling sederhana mempunyai komponen seperti ditunjukkan

dalam gambar 4 Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir

melalui ruang diantara sudu tersebut Apabila roda turbin dapat berputar maka

terdapat gaya yang bekerja pada sudu Gaya tersebut terjadi akibat perubahan

momentum dari fluida kerja yang mengalir di antara sudu Fluida kerja turbin

yang dapat digunakan adalah air uap air dan gas Fluida kerja turbin pada PLTU

adalah uap sehingga turbin pada PLTU disebut turbin uap

6 Pipa ke luar (Exhaust pipe)

1 Poros (shaft) 2 Roda Turbin (disc) 3 Sudu gerak (moving blades) 4 Nosel- Sudu tetap (Nozze) 5 Stator2

Gambar 4 Sebuah Roda Turbin

Berdasarkan fluida mekanika turbin uap dapat digolongkan menjadi

beberapa kategori

1 Jumlah tingkat tekanan

7

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 14: Cover dan isi

a Turbin satu tingkat biasanya berkapasitas kecil dan banyak

digunakan untuk menggerakkan kompressor sentrifugal dan

mesin-mesin lain yang serupa

b Turbin nekatingkat (multi-stage) biasanya berkapasitas besar

dan digunakan untuk pembangkit-pembangkit listrik

berkapasitas tinggi

2 Ekspansiuap

a Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

hanya terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi

energi kinetik seluruhnya di nose dan kemudian impuls dari

uap akan mendorong sudu-slJdu untuk berputar Karena pada

sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu gerak turbin

tersebut adalah simetris

b Turbin reaksi turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya

terjadi baik pada nosel maupun sudu gerak energi termal uap

diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan

sudu-sudu jalan dan kemudian gaya reaksi dari uap akan

mendorong sudu-sudu untuk berputar

3 Arah ali ran uap

a Turbin aksial dimana arah uapnya mengalir sejajar terhadap

sumbu turbin

b Turbin radial dimana uapnya mengalir dalam arah yang tegak

lurus terhadap sumbu turbin

4 Tekanan Akhir

a Turbin Kondensasi yaitu turbin yang tekanan uap keluarnya lt

latm sehingga tekanan keluaran uap yang rendah tsb

menyebabkan penambahan entalpi total

b Turbin tekanan lawan (back pressure turbine) yaitu turbin yang

tekanan uap keluarnya gt 1 atm Tekanan fluida kerja

Hidrokarbon (N-Pentane N-Butane) keluar tsb biasanya

8

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 15: Cover dan isi

digunakan untuk menjaga agar tidak ada udara yang masuk

turbin

2121 Turbin Satu Tingkat dan Nekatingkat (Single Stage Multi-Stage)

Uap dari nosel akan mendorong sudu-sudu secara terus menerus

sehingga mengakibatkan roda turbin berputar Ekspansi uap melalui nosel

mengubah energi termaljentalpi menjadi energi mekanik atau kecepatan tinggi

Kecepatan uap diekspansikan ke sudu gerak

Kombinasi antara nosel dan sudu gerak dalam turbin paling sederhana

adalah turbin satu tingkat (single stage) Turbin satu tingkat (single stage)

digunakan pada kebutuhan khusus dan dapat dikenali dengan uap keluar yang

masih memiliki banyak energi

Gambar 5 dibawah ini memperlihatkan turbin dengan 3 tingkat terdiri dari 3

sudu gerak yang terdapat pada poros Uap dari nosel mengenai sudu-sudu yang

akan mengerakkan poros berputar Ketika uap melewati nosel pertama

kecepatan uap akan menaik dan tekanan uap akan menurun Penurunan

tekanan akan diikuti dengan kenaikan volume spesifik uap Uap mengekspansi

sebagian energi ke sudu gerak dan meninggalkan nosel pertama serta memasuki

nosel ke 2 dimana uap mengekspansi sebagian energi lagi Energi diekspansi

pada tingkat ke 2 dan ke 3 Setelah uap melalui tingkat ke 3 dimana uap

memberikan energinya untuk mengasilkan gerak uap akan meninggalkan turbin

sebagai uap ke luar Ukuran sudu gerak setiap tingkat akan lebih besar dari

tingkat sebelumnya seiring dengan dengan kenaikan volume spesifik uap

9

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 16: Cover dan isi

STEAM mOM BOILER

ROTOR

--bullbull EXHAUST

tW1 STAGE

Gambar 5 Turbin Nekatingat (Multistage)

Terdapat sedikit kerugiankehilangan energi ketika uap melalui nose

Proses konversi energi terjadi di nose dimana energi internal (tekanan) uap

dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan) Nosel harus didisain dengan

penyempitan luas area aliran uap secara halus Kemudian uap akan mengalami

percepatan melalui nosel karena penyempitan luas area aliran dan akan

meninggalkan nosel dengan kecepatan uap yang tinggi Lalu uap akan menubruk

sudu gerak dimana sudu tersebut didisain untuk mengambil energi dari

kecepatan uap yang tinggi

Sudu gerak akan mengakibatkan perubahan kecepatan uap ketika uap

melewati sudu tersebut yang mengakibatkan pemindahan energi dari uap sudu

yaitu dalam bentuk kecepatan uap yang tinggi Ketika uap menimpa sudu gerak

uap memberikan gaya dan energinya middot ke sudu dalam bentuk perubahan

momentum yang mempercepat sudu bergerak

Didalam proses turbin energi termaljenthalpi menjadi energi mekanik terdapat

2 transformasi energi utama yaitu

1 transformasi energi pertama adalah proses thermodinamik yaitu energi

thermal diubah ke energi kinetik yang menghasilkan kecepatan uap

yang tinggi dan perubahan momentum

2 transformasi energi kedua adalah proses mekanik yaitu uap menimpa

sudu gerak yang imparting momentum sehingga memutar poros turbin

10

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 17: Cover dan isi

2122 Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

Berdasarkan proses ekspansi turbin dibedakan menjadi 2 tipe yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi Turbin impuls adalah turbin dimana proses

ekspansi (penurunan tekanan) dari fluida kerja hanya terjadi didalam baris sudu

tetap (nosel) saja sedang turbin reaski terjadi baik didalam baris sudu tetap

(nosel) maupun sudu gerak Prinsip kerja dari kedua turbin tersebut dapat

illustrasikan sebagai berikut turbin impuls bekerja seperti water wheel (gambar

6a) sedangkan turbin reaksi bekerja seperti rotary lawn sprinkler (gambar 6b)

-

- -a Turbin Impuls b Turbin Reaksi

Gambar 6 Illustrasi Prinsip Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi

21221 Turbin Impuls

Turbin Impuls yaitu turbin yang proses ekspansi fluida kerjanya hanya

terjadi pada nosel energi termal uap diubah menjadi energi kinetik seluruhnya

di nosel dan kemudian impuls dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk

berputar Karena pada sudu gerak tidak terjadi ekspansi maka bentuk sudu

gerak turbin tersebut adalah simetris Turbin impuls dapat merupakan turbin

impuls sederhana (bertingkat tunggal) turbin impuls kecepatan bertingkat

(turbin Curtis) atau turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Keadaan

aliran uap dalam turbin tersebut dapat diterangkan dengan menggunakan grafik

tekanan dan kecepatan absolut seperti pada gambar 7 Turbin impuls sederhana

11

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 18: Cover dan isi

diekspansikan di dalarn satu nosel (atau satu baris nosel rnasing-rnasing bekerja

dengan tekanan yang sarna) yang tidak berputar

T u~

0c4 I Kecepat8 mutlak u~

I I II I II shyI --~ _--- J

AXIAl VIEW

4- --~~------~=~ nt RA() IAl VIfW ~~ (1shy

_--- VOlUME

VllOCITY

PRESSURE

Gambar 7 Turbin Impuls Sederhana (Rateau Stage)

Kecepatan uap naik karena nosel berfungsi menaikkan kecepatan uap

kemudian uap rnengalir ke dalarn baris sudu gerak pad a tekanan konstan Tetapi

kecepatan absolutnya turun karena energi kinetik uap diubah menjadi kerja

mernutar roda turbin Uap yang ke luar turbin masih berkecepatan tinggi

sehingga rnasih rnengandung energi tinggi atau kerugian energi rnasih terlalu

besar

Untuk rnencegah kerugian energi yang terlalu besar uap diekspansikan

secara bertahap didalam turbin bertingkat ganda Dengan turbin bertingkat

ganda diharapkan proses penyerapan energi (proses pengubahan energi termal

menjadi kerja rnekanik) dapat berlangsung effisien Gambar 8 rnelukiskan

perubahan tekanan dan kecepatan absolut dari uap didalarn turbin irnpuls

kecepatan bertingkat (turbin Curtis) Uap hanya diekspansikan di dalam nosel

(baris sudu tetap pertarna) dan selanjutnya tekanannya konstan Akan tetapi

turbin tersebut rnasih dalarn golongan turbin irnplus karena didalarn baris sudu

12

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 19: Cover dan isi

- --- - -- ---

gerak tidak terjadi ekspansi (penurunan tekanan) Meskipun tekanan uap

didalam sudu gerak konstan kecepatan absolut turun karena sebagian dari

energi uap diubah menjadi kerja memutar roda turbin Kecepatan uap didalam

sudu tetap berikutnya tidak naik karena tekanannya konstan

AXIAl VIEW

STEAM IHlfT

- -- RADIAL VIEW-I vtlE r-----------shylmiddotWi ~J

j I ~Inrrjf ~ 1 PRESSURE ~

Gambar 8 Turbin Impuls Kecepatan Bertingkat (Curtis Stage)

Gambar 9 menggambarkan perubahan tekanan dan kecepatan absolut

dari uap didalam turbin impuls tekanan bertingkat (turbin Rateau) Tekanan uap

turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja sedangkan di dalam baris

sudu bergerak tidak terjadi penurunan tekanan Kecepatan uap naik dan turun

ketika memasuki sudu tetap dan melewati sudu gerak Baris sudu tetap

berfungsi sebagai nosel kecepatan uap naik karena tekanan uap turun Dengan

mengekspansikan uap secara bertahap maka turbin akan bekerja dengan

kecepatan absolut uap yang tidak terlalu besar sehingga kerugian

gesekannyapun akan berkurang

Dalam beberapa hal sebuah turbin dapat dikombinasikan baris sudu

implus kecepatan bertingkat dan tekanan bertingkat untuk mengoptimalisasi

output turbin

13

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 20: Cover dan isi

STEAM INLET

PRESSURE

JJ

J- 1 1J -4- -yen -

--

RADIAL VIEW

r---~

Gambar 9 Turbin Impuls Tekanan Bertingkat (Rateau)

21222 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin dengan proses ekspansi (penurunan tekanan)

yang terjadi baik di dalam baris sudu tetap maupun sudu gerak energi termal

uap diubah menjadi energi kinetik di sudu-sudu penghantar dan sudu-sudu jalan

dan kemudian gaya reaksi dari uap akan mendorong sudu-sudu untuk berputar

Turbin reaksi disebut juga turbin Parsons sesuai dengan nama pembuat turbin

pertama yaitu Sir Charles Parsons

Gambar 10 dibawah ini memperlihatkan turbin reaksi dengan tekanan

dan kecepatan absolut dari uap Turbin reaksi dalam gam bar tersebut adalah

turbin reaksi nekatingkatbertingkat Setiap tingkat terdiri dari nosel tetap dan

nosel bergerak Penurunan tekanan terjadi di ke dua nosel tersebut Turbin

reaksi merupakan turbin bertingkat dengan nosel tetap dan nosel bergerak selihshy

berganti Pasangan nosel tetap dan nosel bergerak disebut satu tingkat Seperti

turbin impuls turbin reaksi nekatingkat dapat bekerja pada sudu dengan

kecepatan rendah untuk menghasilkan daya maksimum

14

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 21: Cover dan isi

Umumnya turbin reaksi dapat digunakan pada tekanan rendah dan

kecepatan uap rendah dengan demikian turbin reaksi dapat dioperasikan pada

kecepatan sudu ideal Hal tersebut membuat penggunaan uap lebih effisien pad a

kondisi tekanan rendah Dengan kondisi tekanan dan temperatur uap rendah

turbin dapat didisain dengan bahan material ringan dan tidak mahal

STEAM INlfT EXHAUST

MOVINGFIXED NOZZlES NOZZlES

PRESSURE

Gambar 10 Turbin Reaksi

Karena pada turbin reaksi baris sudu tetap maupun sudu gerak berfungsi

sebagai nosel maka kecepatan relatif uap ke luar setiap sudu lebih besar dari

kecepatan relatif uap masuk sudu yang bersangkutan Meskipun demikian

kecepatan absolut uap ke luar sudu gerak lebih kecil daripada kecepatan absolut

uap masuk sudu gerak yang bersangkutan oleh karena sebagian energi kinetik

diubah menjadi kerja memutar roda turbin

Tekanan uap ke luar sudu lebih rendah daripada tekanan masuk sudu

yang bersangkutan sehingga hal tersebut akan memperbesar gaya aksial pada

bantalan

Turbin reaksi berskala besar umumnya didisain dengan Curtis stage

(single velocity compound impulse stage) sebagai tingkat pertama kemudian

15

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 22: Cover dan isi

diikuti dengan reaction stages (lihat gambar 11) Curtis stage beroperasi sangat

effisien pada tekanan tinggi dan memanfaatkan energi enthalpi pada inlet turbin

lebih effisien Kemudian sudu-sudu berikutnya (sudu-sudu reaksi) akan bekerja

lebih effisien pada tekanan dan temperatur uap terendah Kombinasi ini akan

mempermudah dalam pengendalian selama beban rendah dan meningkatkan

effisiensi turbin Sistem tersebut akan menggurangi jumlah tingkat reaksi

dimana akan membuat lebih pendek dan compact

REACTION STAGES CURTIS STAGE

STEAM INLET

Gambar 11 Turbin Impuls-Reaksi

2123 Turbin Aksial Radial Helikal

Seperti dijelaskan diatas salah satu karakter turbin dapat dibedakan

berdasarkan arah aliran uap yaitu turbin aksial turbin radial dan turbin helikal

Secara umum arah aliran uap ditentukan oleh posisi relatif dari nose diaphragms

sudu tetap dan sudu gerak

1 Turbin aksial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir sejajar

terhadap sumbu turbin (shaft) Pada proses middot ekspansinya turbin ini

dapat dibedakan menjadi Turbin impuls dan turbin reaksi

16

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 23: Cover dan isi

2 Turbin radial adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tegak lurus

terhadap sumbu turbin (shaft) (lihat gambar 12)

I I Ii

I I

Gambar 12 Turbin Radial

3 Turbin helikal adalah turbin dengan arah uapnya mengalir tangesial

terhadap lingkaran rotor dan menubrukmenimpa sudu gerak Sudushy

sudu dibentuk sedemikian rupa sehingga arah aliran uap berbalik pada

setiap sudu Sebagian turbin helikal digunakan untuk pemanfaatan uap

kembali dimana uap keluar dari sudu akan dikembalikan untuk menubruk

sudu gerak melalui kanal di turbin hal tersebut akan mengekspansi energy

uap lebih banyak (lihat gam bar 13)

Gambar 13 Turbin Helikal

17

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 24: Cover dan isi

bull bull

Pembagian aliran uap apakah ali ran tunggal atau aliran ganda tergantung

apakah aliran uap dalam satu arah atau dua arah

bull Aliran uap tunggal Uap memasuk ke inlet turbin dan mengalir sekali

jalan melalui sudu dengan arah aksial dan keluar dari turbin

bull Aliran uap ganda Uap memasuk melalui tengah turbin dan mengalir

melalui sudu menuju masing-masing ujung poros dan keluar melaui

exhaust chambers Keunggulan dari aliran uap ganda adaalah sudushy

sudu akan lebih pendek dibnadingkan dengan aliran uap tunggal pad a

kapasitas yang sarna dan mengurangi daya dorong aksial

Sedangkan berdasarkan aplikasi dalam pemakaiannya turbin uap dapat

digolongkan dalam tiga jenis utama yaitu

o Turbin generator yang dioperasikan di industri dan termaI

o Turbin mekanik yang dioperasikan untuk menggerakan

kompresor pompa blower

o Turbin kapaI (marine turbine) yang dioperasikan untuk

menggerakan baling-baling kapaI dan perlengkapan kapaI

Perbedaan utama antara turbin mekanik dengan turbin-turbin lainya adalah

bull putaran bervariasi antara (80 sid 105) dari putaran rancangan nomal

bull perbedaan karakteristik out put turbine (lihat gambar 14)

bull putaran tinggi

bull sesuai dengan standar API (American petroleum institute)

mrbin kGmflfCSO(

-L------- i i _I J---- rurbin kapal

B ~ ~middot0-~~ middot t

~ __ - _ __ _ JJ tmbinpncr1lOr

~ I f ~ i --- --4--

Gambar 14 Karakteristik Output Turbin Uap

Turbin uap di PLTU merupakan jenis turbin uap yang dioperasikan di industri

dan termal sehingga pembahasan dibatasi hanya pada turbin uap di industri

18

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 25: Cover dan isi

2124 Turbin Industri

Turbin industri dapat dibagi menjadi empat grup yaitu

bull Turbin tekanan lawan (Back Presure Turbines)

bull Tubin kondensasi (Condensing Turbines)

bull Turbin ekstraksi ( Ekstraksion Turbines)

bull Turbin kombinasi ( Mixing Turbines)

Didalam kajian turbin industri ini turbin tekanan lawan turbin kondensasi dan

turbin ekstraksi akan dibahas

21241 Turbin Tekanan Lawan (Back Presure Turbines)

Turbin tekanan lawan dipakai bila suatu industri (pabrik) membutuhkan

pemakaian uap yang berganda yaitu sebagai sumber energi potensial dan

sekaligus sebagai sumber energi untuk keperluan pemprosesan Tekanan uap

meninggalkan tekanan turbin ( tekanan lawan) diatur sesuai dengan tekanan

uap pemproses Dengan demikian tekanan dan temperatur uap dari ketel harus

diatur berdasarkan tekanan temperatur uap pemroses dan daya yang

dihasilkan efisiensi serta konsumsi uap untuk turbin seperti dilukiskan dalam

diagram mollier dibawah ini

B

Gambar 15 Diagram Mollier untuk Back Presure Turbines (Pi = tekanan

ketel ti = temperatur ketel po =tekanan uap proses to =temperatur uap

proses)

Titik A ditentukan berdasarkan kondisi pemprosesan Titik A merupakan

kondisi uap masuk turbin jadi kehilangan energi termal pada ekspansi

19

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 26: Cover dan isi

isentropis dikonversikan menjadi daya turbin pada eisiensi tertentu Titik A

diperoleh dari garis AB = ilh ilh adalah penurunan energi termal selama

ekspansi isentropik ilh diukur pada diagram mollier dengan titik dasar B

Berikut dibawah ini adalah formula perhitungan ilh

(1)

Nt = daya turbin(DK)

77 t =efisiensi turbin ()

Ws = konsumsi uap(kgs)

ilhs = penurunan energi termal selama ekspansi isentropik

Efisiensi adalah salah satu faktor penentu daya-energi termal turbin

Dalam beberapa tahun yang lalu penelitian intensif telah dilakukan dilapangan

tentang peningkatan efisiensi Salah satu perusahaan yang melakukan penelitian

adalah Stork Turbo Blading Penelitian ini telah menemukan tentang beberapa

perbaikan yang sementara ini terpakai pada instalasi-instalasi yang sudah

beroperasi Gambar 16 dibawah ini adalah Stork-Turbine Blade

Gambar 16 Stork-Turbine Blade

Turbin tekanan lawan dari stork mempunyai prinsip putaran tinggi (saat

ini maksimum 12000 rpm) berkaitan dengan volume uap yang keeil Hal

tersebut dapat mengurangi biaya sekuder (atau rendah) karena ruangvolume

20

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 27: Cover dan isi

yang dibutuhkan sedikit Turbin tekanan lawan dapat langsung dipakai untuk

menggerakan mesin-mesin seperti kompresor udara dan gas (gas amoniak pada

pabrik kimia dan lain-lain) dan untuk menggerakan mesin-mesin melalui rod a

gigi reduksi seperti altenator tiga-phasa dengan putaran berbeda putaran dapat

direduksi sampai putaran yang dikehendaki contoh dari 6000 rpm ke 1500

rpm pada 50 Hz

Daya turbin tekanan lawan dihasilkan dari ekspansi uap dari tekanan

awal (initial) ekonomis turun sampai tekanan pemanasan Layout dari instalasi

uap untuk turbin tekanan lawan digambarkan secara skematik pada gambar 17

dibawah ini

b

F

L- _--_______

-M-- ----+-- a Suplai air I

Dcsuper healer

Gambar 17 Diagram Instalasi uap secara diagramatis (a saluran air ketel

b pipa uap adipanas c saluran uap ke turbin)

Termodinamika turbin tekanan lawan dapat dijelaskan pada gambar 18

dibawah ini

21

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 28: Cover dan isi

t

Gambar 18 Thermodynamic cycle untuk turbin tekanan lawan (po=

tekanan ketel (kgcm2 ABS) pi = tekanan masuk turbin (kgcm2 ABS) pt=

tekanan uap pemanas (kgcm2 ABS) bc= proses trottling pada katup

trotel cd=proses ekspansi pada turbin da= kondensasi (pengembunan)

dalam pemanas)

21242 Turbin Kondensasi

Turbin kondisi dipakai bila seluruh energi uap dipergunakan untuk

menghasilkan daya Uap yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam

kondenser dengan tujuan mendapatkan tekanan lawan yang cukup rendah

sehingga menghasilkan daya yang tinggi Kemudian air hasil kondensasi dapat

disirkulasikan kembali ke dalam ketel

Dibawah ini adalah gambar19 tentang turbin kondensasi yang disebut

juga turbin kondensasi langsung (straight condensing turbine)

22

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 29: Cover dan isi

Gambar 19 Straight Condensing Turbine

21243 Turbin ekstraksi

Turbin ekstraksi terbagi menjadi dua jenis yaitu

bull turbin ekstraksi kondensasi

bull turbin ekstraksi tekanan lawan

Turbin ekstraksi kondensasi beroperasi dengan penggunaan uap ganda

yaitu untuk pembangkit tenaga (penyediaan daya) dan juga untuk penyediaan

uap bagi keperluan-keperluan ekstraksi Bila tidak ada kebutuhan uap untuk

ekstraksi maka turbin akan bekerja sebagai turbin kondensasi langsung Turbin

ekstraksi kondensasi secar skematis dapat dilihatkan pada gambar 20 dibawah

ini

Header uap induk

_ kensn pcnutup uap induk

kaNp uap lIouuk kaNp kontrol cksu-u-si

Gambar 20 Turbin Ekstraksi Kondensasi

23

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 30: Cover dan isi

Turbin ekstraksi kondensasi banyak ditemukan di beberapa industri

dimana uap bertekanan rendah digunakan untuk berbagai pemprosesan

(processing) dan uap bertekanan tinggi sebagai penggerak mula (primer mover)

untuk pembangkit tenaga Turbin itu middotdisebut juga turbin uap dengan

pembuangan dini seperti terlihat dalam gambar 21 dibawah ini

Turbin dengan pembuangan dini (pass out turbine) terdiri dari dua

bagian yaitu turbin bertekanan tinggi (TTT) dan turbin bertekanan rendah

(TTR) dengan fungsi uap ganda yaitu untuk keperluan pemprosesan dan

pembangkit tenaga Sebagian uap dari turbin tekanan tinggi (TTT) dikeluarkan

untuk kebutuhan pemprosesan Selebihnya masuk ke TTR mengekspansi turbin

yang akan menghasilkan daya untuk menggerakan beban (load)

Uap dari pemprosesan dan uap dari TTR dimasukan dalam kondensor

yang kemudian menghasilkan air kondensat Air kondensat dapat dijadikan air

pengisi ketel (boiler feed water)

Gambar 21 turbin kondensasi dengan pembuangan dini

Gambar 22 dibawah ini adalah diagram h-s untuk sebuah turbin dengan

pembuangan dini

24

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 31: Cover dan isi

~ B

Gambar 22 Diagram ekspansi uap dalam turbin kondensasi dengan

pembuangan dini (MDanny sam)

Kondisi uap sebelum katup pengatur adalah

bull ha tekanan pa kgcm2 ABS)

bull temperatur ta (0C)

bull entalpi (kkalkg)

setelah mengalami proses troteling (entalpi tetap) kondisi uap masuk TTT

adalah

bull tekanan Pi (kgcm2 ABS)

bull temperatur ti (0C)

bull entalpi hi = ha (kkaljkg)

Kondisi uap meninggalkan TTT adalah

bull tekanan pol (kgcm2 ABS)

bull temperatur tol (0C)

bull entalpi hOl (kkalkg)

kondisi uap masuk TTR setelah mengalami pembuangan dini adalah

bull tekanan Pil (kgcm2 ASS)

bull temperatur til (0C)

bull entalpi hil (kkaljkg)

kondisi uap masuk kondensor

25

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 32: Cover dan isi

bull tekanan pc (kgcmz ABS)

bull temperatur tc (oC)

bull entalpi h~ (kkaljkg)

AIBI menggambarkan garis ekspansi isentropik bila uap tidak melewati

katup pengatur ( regulating value ) AB menggambarkan garis ekspansi

isentropik dalam turbin dengan penurunan energi termal 1Hi 1Hi = ha - ho (

kkalkg) adalah penurunan energi termal teoritis secara isentropik Tetapi dari

kenyataan bahwa penurunan energi termal secara teoritis terjad 2 tingkt yaitu

1Hil = ha - ho ( kkaljkg ) penurunan enrgi termal teoritis secara isentropik

dalam TTT

1HiZ = he - hb ( kkalkg ) penurunan nergi termal teoritis secara isentropik

dalam TTR

jadi penurunan energi termal aktual secara isentropik dalam TTT dan TIR

adalah

1Hi1+1HiZ= (ha - he )+( he - hb) (kkaljkg)

Penurunan enrgi termal yang terpakai secara teoritis adalah

1He =ha - hb (kkaljkg)

Jadi efisiensi turbin teoritis adalah

(2)

Sedang penurunan energi termal yang terpakai aktual adalah

1Hel =ha - he dalam TIT

1Hez =he - he dalam TTR

jadi efisiensi turbin aktual

bHel+bHe2 (3)rft)akt= bHll +bHz2

Oaya turbin teoritis

(Ne)tb =5963 1He (Okkg)

Oaya turbin aktual

(Ne)akt =5963 (1Hel + 1Hez) (Okkg)

Oengan perincian

26

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 33: Cover dan isi

Oaya TTT Ncl =Wa 5963 1Hcl (Ok)

Oaya TTR Nc =(WS - Weks) 5963 1Hc2 (Ok)

Ws = Konsumsi uap TTT (kgdet)

Weks =Konsumsi uap ekstraksi

(WS - Weks) =Konsumsi uap TTR

Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan adalah turbin yang beroperasi

dengan kegunaan uap berganda yaitu untuk kebutuhan

ekstraksi

pemprosesan dan

pembangkit tenaga

Gambar 23 memperlihatkan turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

dimana turbin tersebut terdiri dari 2 jenis yaitu dari sebuah TTT dari jenis

bertingkat tekanan tunggal (de laval) dan sebuah TTR dari jenis bertingkat

ganda (Rateau)

p

Gambar 23 Turbin tekanan lawan dengan pembuangan dini

22 Teknologi PLTP Siklus Biner

Pembangkit Listrik Tenaga Panasbumi (PLTP) siklus biner mempunyai

prinsip kerja yang sarna dengan pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dimana

sumber bahan bakar pada PLTU digantikan dengan panasbumi dan uap

digantikan dengan media kerja hidrokarbon-uap

27

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 34: Cover dan isi

PLTP siklus biner adalah proses tertutup Proses PLTP siklus biner

menurut jenis aliran fluida kerjanya secara skematis ditunjukkan pada gambar

24 dibawah ini

Secara garis besar PLTP siklus biner terdiri atas 3 (tiga) loop utama yaitu

1 Loop energi panas bumi

Sumber air panasbumi dipisahkan melalui separator menjadi uap dan air

panas Uap digunakan untuk menggerakkan turbin kemudian untuk

membangkitkan Iistrik Sedang air panas dialirkan melalui evaporator

fluida kerja (contohn-pentane) untuk mengubah fluida kerja cair menjadi

uap Air panas - panasbumi yang keluar dari evaporator dialirkan ke

sumur re-injeksi

2 Loop fluida kerja

Uap panas lanjut fluida kerja (contohn-Butane) yang keluar dari

evaporator yang sebelumnya dibersihkan di dalam Separator digunakan

untuk menggerakkan rotor turbin-Generator Kemudian keluaran fluida

kerja dari turbin-Generator yang masih berupa gas panas lanjut

dikondensasikan di Kondensor Sebagai media pendinginnya adalah air

Kondensat fluida kerja selanjutnya disirkulasikan dengan menggunakan

pompa pengumpan (feed pump) menuju Evaporator dan seterusnya pada

loop fluida kerja Salah satu Jenis pompa pengumpan yang digunakan

adalah pompa sentrifugal sistem hermetic

3 Loop sirkulasi air pendingin

Air yang digunakan sebagai media pendingin kondensor dapat diperoleh

dari sungai atau danau yang sebelumnya sudah dip roses dialirkan ke

cooling tower Kemudian disirkulasikan kembali dengan menggunakan

sejumlah pompa sirkulasi

28

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 35: Cover dan isi

CGPP

cs

li WP

PW

l i IW

C Condenser E Evaponttor PW Production Well CGPP Conventional Geothermal Power P(ant HT Hydrocarbon Tank S Sikncer CS Cydone Separator ON Injection Well SP Steam Piping CT CooUng Tower MFP Maill Feed Pump TG TurbineGenerator CVvf Cooling waler Pump MP Make up water Pump WP water (brine) Piping o OemisCer PH Preheater WV Wellhead Valve

Gambar 24 Skema Diagram PLTP Binary Cycle

Umumnya fluida panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik

adalah fluida yang mempunyai temperatur 2000C tetapi secara tidak langsung

fluida panas bumi temperatur sedang (100-2000C) juga dapat digunakan untuk

pembangkit listrik yaitu dengan cara menggunakannya untuk memanasi fluida

organik yang mempunyai titik didih rendah Uap dari fluida organik ini

kemudian digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan listrik

Fluida organik dipanasi oleh fluida panas bumi melalui mesin penukar

kalor atau heat exchanger Jadi fluida panas bumi tidak dimanfaatkan langsung

melainkan hanya panasnya saja yang diekstraksi sementara fluidanya sendiri

diinjeksikan kembali kedalam reservoar Pembangkit ini juga tidak

memproduksi emisi udara Dua lapangan yang menggunakan siklus konversi

energi seperti ini adalah Parantuka Kamchatka Peninsula (USSR) dan Otake

(Jepang) Di lapangan Lahendong juga terdapat sebuah pembangkit listrik panas

bumi siklus binari (binary geothermal power plant) berkapasitas 25 MW

Berikut adalah komponen-komponen utama yang dibutuhkan oleh PLTP Siklus

Biner

a Downwell pumps dan motors

29

HTMFl

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 36: Cover dan isi

bull Multistage centrifugal pumps lineshaft-driven from surfaceshy

mounted electric motors atau submersible electric pumps

b Brine supply system

bull Sand removal system

a Solids knock-out drum

c heat exchangers pada brinefluida kerja

bull Preheater

a Horizontal cylinder liquid-liquid shell-dan-tube type

brine pada sisi tube dan fluida kerja pada sisi shell atau

vertical corregated plate type

bull Evaporatorsuperheater

a Horizontal cylinder atau kettle-type boiler

b Superheater section (optional)

c Brine pada sisi tube flU ida kerja pada sisi shell

d Turbine-generator dan controls

bull Turbin hidrokarbon (axial atau radial flow) generator dan

accessories

e Condenser accumulator dan storage system

bull Condenser

bull Dump tank dan accumulator

a Tanki penampung harus cukup besar untuk

menampung seluruh kapasitas fluida kerja

bull Evacuation pumps berfungsi untuk memindahkan fluida kerja ke

tangki penampungan selama perawatan

f Feed pump system

bull Condensate pumps

bull Booster pumps (bila diperlukan)

g Heat rejection system

bull Wet cooling system

a Water cooling tower dengan sumber air untuk make-up

water

b Cooling water pumps dan motors

c Cooling water treatment system (bila diperlukan)

30

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 37: Cover dan isi

bull Dry cooling system (bila sumber air untuk make-up water tidak

tersedia)

a Air-cooled condensers dengan manifolds dan

accumulator

b Induced draft fans dan motors

h Back-up systems

bull Standby power supply

i Brine disposal system

bull Brine return pumps dan piping

a Horizontal variable-speed motor-driven units

b High-head high-volume flow design

j Fire protection system (bilaJluida kerja mudah kebakar)

bull High-pressure sprinkler system

bull Flare stack

221 Turbin -Generator PLTP Sildus Biner

Turbin-Generator merupakan salah satu komponen utama dari PLTP

siklus biner Gambar 25a memperlihatkan Turbin-Generator dari PLTP Siklusshy

Biner 25 MW di Lahendong Turbin-Generator tersebut berfungsi untuk

mengubah energi termal gas dari fluida kerja hidrokarbon menjadi energi

mekanik dengan cara menurunkan entalpi gas di dalam nosel menjadi energi

kinetik Energi kinetik uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar

sudu-sudu rotor turbin (gambar 25b) Daya poros turbin ditransmisikan ke

poros generator melalui sistem transmisi roda gigi Dengan demikian energi

listrik dapat dibangkitkan oleh generator dengan frekwensi sesuai dengan yang

dikehendaki Salah satu jenis turbin yang dapat digunakan adalah turbin impuls

satu tingkat Untuk mempertahankan putaran poros yang konstan maka

instalasi turbin dilengkapi dengan gouvernor yang berfungsi membuka dan

menutup valve uap agar aliran uap sesuai dengan beban yang dibutuhkan

Sampai saat ini belum ada di Industri manukfatur turbin hidrokarbon di

Indonesia

31

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 38: Cover dan isi

From ProoUaTon

WeUs

Separator

Hot Bnnes

WeBs

wr01201 [1ltgls]

3-S 961q 7 I 19 [bar]

Mam Feed Putr(l

To To Crrulatlng WltlterpurTlJ

Gambar 25 a Turbin-Generator b sudu-sudu rotor turbin PLTP Siklus

Biner di Lahendong

222 Review dan Analisa Engineering Design PLTP Binary Cycle

100kW

Pengembangan PLTP binary cycle di BPPT dilakukan melalui tahapan

pengembangan prototipe dengan kapasitas 2kW kemudian dilanjutkan dengan

pilot plant dengan kapasitas lOOkW dan sebagai target akhir adalah sistem

modular lMW Prototipe 2kW didesain dengan spesifikasi utama yaitu

bull Fluida kerja n-pentane

bull Jenis turbin axial single stage

bull Sistem kontrol micro-controller

Steam to COlMlroonaJ geolhermal plants Working Fluid = N-Pent~e

-05153 [kgl]

Ilpump=O3S o 107 JlltWJ bullbullbullbull_----bullbull_ _ bullbullJ

17177 AIOOanes pu~s I

To ~llIRrtion WeUs

Gambar 26 Sistem Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

32

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 39: Cover dan isi

Desain sistem prototipe PLTP binary cycle 2kW adalah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 26 Seluruh komponen prototipe ini dimanufaktur

oleh BPPT dan kemudian diujicoba di lapangan panas bumi Wayang Windu

Jawa Barat (Gambar 27)

Gambar 27 Suasana Ujicoba Prototipe PLTP Binary Cycle 2kW

Hasil pengukuran kinerja prototipe PLTP binary cycle 2kW ini adalah seperti

yang ditunjukkan pad a Tabel1

P t B Tekanan

Tabe11 HaSII PengUik uran KinerJa ro otlpe mary Cyc1e 2kW Temperatur Enthalpy Daya Daya

Titik Posisi (DC)(bar) Turbin Bersih 1

(kJkg) 246 7616 4492

2 Turbine inlet

middot4316 3

Turbine outlet 144 6473 139 6473 4316

6 Condenser inlet

124 3896 3072Condenser outlet ~

~ ~ 119 3896 3072Pump inlet 7 co

N ~4046 400 9

Pump discharge 4668 4747316 5243

12 Evaporator inlet

266 7662 5746 outlet Evaporator

Kesimpulan hasil ujicoba prototipe adalah sbb

a) Sistem bisa beroperasi sesuai dengan desain

b) Terjadi kebocoran pada turbin diakibatkan tidak optimalnya

pemilihan jenis seal

c) Putaran turbin tidak stabil diakibatkan karena tidak adanya governor

33

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 40: Cover dan isi

d) Sistem kontrol yang menggunakan micro-controller kurang berfungsi

dengan baik

Sebagai tahap lanjutan dalam pengembangan PLTP binary cycle basic

design pilot plant dengan kapasitas 100kW serta Optimasi Engineering Design

PLTP Binary Cycle Skala Kecil 100 kW telah dibuat dengan menetapkan hal-hal

sbb

1 Fluida hidrokarbon n-butane ditetapkan sebagai fluida kerja pengganti nshy

pentane karena penggunaan n-butane mampu meningkatkan efisiensi

pembangkit Selain itu fluida n-butane lebih mudah diperoleh di dalam

negeri dengan biaya yang lebih rendah

2 Perubahan pengaturan temperatur dan tekanan turbin inlet dari kondisi

superheat SoC menjadi kondisi uap jenuh dapat menghasilkan efisiensi

isentropik turbin yang lebih tinggi serta kondisi gas keluar turbin dalam

keadaan superheat yang lebih rendah Hal ini memberi pengaruh pad a

kapasitas heat load kondenser menjadi lebih rendah sehingga dimensi dan

biaya manufaktur kondenser menjadi lebih kecil

3 Untuk menggantikan turbin axial turbin radial-inflow lebih sesuai

diterapkan pada PLTP binary cycle yang mempunyai tekanan operasi dan

pressure ratio di dalam turbin yang besar dengan flowrate yang relatif keci

Sistem kerja Turbin radial dapat dilihat pada gambar di bawh ini

1 Gas hidrokarbon tekanan tinggi diekspansikan melalui sudu pengarah

yang tersusun membentuk lingkaran

34

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 41: Cover dan isi

2 Gas dipercepat didalam sudu pengarah dan masuk kedalam roda

turbin Sudu turbin mengubah energi kinetik yang terkandung dalam

uap menjadi energi mekanik

3 Gas meninggalkan roda turbin pada arah aksial dengan tekanan yang

rendah dan melalui difuser dimana kecepatannya berkurang

mendekati kecepatan normal dalam pipa

4 Tenaga yang dibangkitkan dalan roda dipindahkan ke poros yang

berputar dengan kecepatan tinggi Tenaga ini dapat dihubungkan

dengan kompressor atau generator

2221 Thermodynamic PLTP Binary Cycle 100kW

Perhitungan mass dan heat balance dari PLTP siklus biner menggunakan

data karakteristik fluida kerja N-Butane dan parameter termodinamika dari air

panas (brine) Simulasi model PLTP siklus biner dapat dilakukan dengan

menggunakan perangkat lunak EES (lihat gam bar 28) Gambar 28 adalah

perhitungan mass dan heat balance PLTP siklus biner dengan data brine suhu

brine masuk ke heat exchanger (evaporator) lS00C dan suhu brine keluar dari

preheater 1000e

Pada gam bar 28 ditampilkan hasil perhitungan mass dan heat balance

PLTP siklus biner untuk prototipe turbin pada kondisi operasi adalah 1416 kW

dengan ditetapkan daya bersih sebesar 100 kW Lajut debit brine adalah 5108

kgs (1839 tonjam) dengan temperatur masuk ke evaporator lS00C dan

temperatur keluar dari evaporator adalah 12S60C dan keluar dari preheater

1000C adapun daya yang terserap oleh evaporator dan preheater sebesar 1089

MW Sementara itu kondisi inlet dan outlet dari evaporator pad a sisi fluida kerja

35

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 42: Cover dan isi

N-Butane masing-masing adalah 22 bar 120470C (gas) dan 22 bar 12050C

(gas) sedangkan kondisi inlet dan outlet dari preheater masing-masing adalah

223 bar 43430C (cair) dan 22 bar 120470C (gas) Laju debit N-Butane yang

dibutuhkan adalah 2494 kgs (898 tonjam) Dengan daya turbin 1416 kW

kondisi inlet turbin adalah 218 bar dan 12010C (gas) dan outlet 4541 bar dan

64420C (gas) Kemudian sisa daya sebesar 09596 MW dikondensasikan melalui

kondenser dimana daya tersebut diserap dengan sistem pendinginan air

(cooling tower) pada temperatur inlet 41 0C dan outlet 300C Daya parasitik

sebesar 10 dari daya turbin digunakan untuk menggerakan pompa sirkulasi

fluida dan pompa cooling tower Proses PLTP siklus biner berlangsung secara

siklus tertutup Berikut adalah tabel 2 yang menampilkan rangkuman kondisi

pada komponen preheater evaporator turbin kondenser dan pumpa

Tabel 2 Nilai kODdisi kompoDeD PLTP Siklus Biner - daya turbiD 100 kW

ntik h[i]

[kJkg] sri]

[kJkg-K]

T[i] [OC]

P[i]

[bar] P$[i] T_brine[i] h_brine[i]

[kJkg]

T_cw[i] h_cw[i]

[kJkg]

Densitas (kgm3)

Damiddotya

Turbin

Daya

Bersih

1 743 252 1201 218 superheated 150 743 41 6862 5993

- D -~

- 0 0

2 6862 2543 6442 4541 superheated 1455 7033 40 6519 1039

3 6862 2545 6442 4491 superheated 1409 6636 39 6176 1026

4 6484 2435 4493 4491 saturated 1364 6238 38 5833 5487

5 6

309 1377 1343

4493 4491 liquid 1318 5841 37 549 5487

3014 4193 4341 liquid 1273 5444 36 5147 5525

7 3014 1343 4193 4291 liquid 1227 5047 35 4805 5525

8 3062 1348 4343 238 liquid 1182 465 34 4462 5548

9 3062 1348 4343 223 liquid 1136 4253 33 4119 5545

10 5287 1973 1205 22 saturated 1091 3856 32 3776 6075

11 7411 2513 1205 22 superheated 1045 3459 31 3433 6075

12 743 2519 1205 22 superheated 100 3062 30 309 6075

36

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 43: Cover dan isi

Thermodvnamic Cvcle

PUP ~ Walt1Iing Fluidmiddot N-ac- P~ tt1 1

s bull GoI-J

WIE 10S~~

GtoosWcrt _WertT__ Wcrt

a- 61W1

U I eae

t P II ------1

ampI-5From ~

6 - IT - ~~ I middotmiddot Ibn-d To To ~ -P_+~1 --shy-

~t ) 3 JlWI rrn middot ~_-1l)1WI -flmiddot_-~t~ II _ lilt

To~ L ~J

3 I - J------J

Gambar 28 Perhitungan mass dan heat balance PLTP sHous biner brine dengan Turbine Output 100kW

37

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 44: Cover dan isi

23 Review Spesifikasi Turbin Uap 450 Hp milik PTIM

Berlatar belakang permasalahan energi nasional permasalahan pengembangan

pembangkit tenaga listik uap skala kecil khususnya permasalahan industri manufaktur

turbin uap dimana permasalahannya adalah fasilitas industri manufaktur ketersedian

material uji performance Pusat Teknologi Indusri Manufaktur (PTIM) - BPPT telah dan

akan melakukan kajian industri manufaktur turbin uap khususnya turbin skala keciI

Kegiatan di PTIM difokuskan pada peningkatan kemampuan rancang bangun rekayasa

dan manufaktur industri dalam negeri di bidang turbin uap dan generator untuk

pembangkit Iistrik skala keci Untuk itu PTIM memulai dengan tahapan rekayasa ulang

(reverse engineering) yang melibatkan industri manufaktur di dalam negeri Langkah

tersebut diharapkan akan menjadi embrio timbulnya industri peralatan pembangkit

tenaga listrik yang lebih besar Tahapan pengembangan selanjutnya dilaksanakan

secara sekuensial dan paralel sampai mencapai kemampuan untuk manufaktur

peralatan pembangkit Iistrik tenaga uap skala keci Dibawah ini adalah tahapan reverse

engineering dan hasil kegiatannya hingga tahun 2009 di PTIM

Gambar 29 Kegiatan Manufaktur Turbin PTIM

Turbin uap 450 HP adalah kajian turbin uap pertama oleh PTIM bekersama

dengan PT Nusantara Turbin amp Propusi PT Barata Indonesia PT PINDAD PT Compact

38

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 45: Cover dan isi

Turbin tersebut telah dipasang di pabrik gula Asambagoes milik PTPN XI Turbin uap 450 HP

merupakan turbin impuls satu tingkat Berdasarkan arah aliran uap turbin tersebut

digolongkan turbin aksial sedangkan berdasarkan tekanan akhir dikatagorikan turbin

backpressure Tekanan inlet dan outlet turbin tersebut adalah masing-masing 15 kgcmz

dan 08 kgcmz sedangkan temperatur inlet adalah 3200C Turbin tersebut

mengkonsumsi uap sebanyak 5290 kgjam Berikut dibawah ini adalah data spesifikasi

turbin uap 450 HP- PTIM

RATNG

TYPE HORIZONTAL IMPULSE SINGLE STAGE SNGLE VALVE BACK PRESSURE GEARBOX

MODEL SNM HO-163R OUTPUT 450HP SPEED 4336 RPM STEAM INLET PRESSURE

15 kglcm~2

STEAM INLET 320deg C TEMPERATURE EXHAUST STEAM PRESSURE

08 kglcm~2

STEAM CONSP 5290 kgHr

Gambar 30 Data Spesifikasi Turbin Uap 450 HP- PTIM

24 Simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)

Computational Fluid Dynamic (CFD) merupakan teknik komputasi berbasis

numerik untuk menganalisa suatu sistem tentang permasalahan-permasalahan aliran

fluida perpindahan panas dan fenomena terkait lainnya seperti reaksi kimia dan lainshy

lain

Sebuah model dari sebuah sistem yang ingin dianalisa dikomputasi dalam CFD

dan outputnya berupa prediksi pola ali ran yang terjadi perpindahan panas dan massa

reaksi kimia dan lain-lain Output yang optimal diperlukan pemahaman terhadap suatu

proses dan kemampuan untuk memprediksikan proses tersebut Sebagai contoh

seorang design engineer harus mengetahui dan memahami behaviour suatu prosesalat

pada berbagai kondisi operasi agar dapat memilih rancangan yang optimum dari

39

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 46: Cover dan isi

berbagai pilihan yang ada

Kemampuan untuk membuat prediksi juga sangat penting dalam hal

memperkirakan dan bahkan mengontrol potensi bahaya yang terjadi sebagai akibat

berJangsungnya suatu proses

CFD merupakan perangkat lunak yang memerlukan komputer dengan kemampuan

tinggi untuk mendapatkan hasil yang baik Kinerja tersebut mencakup kecepatan

pemprosesan data maupun kapasitas memori yang tersedia Perkembangan teknologi

perangkat keras komputer saat ini telah mendorong penggunaan perangkat lunak CFD

semakin meluas di berbagai bidang ilmu pengetahuan CFD juga dimanfaatkan di bidang

aerodinamika pada industri pesawat terbang dan kendaraan lainnya hidrodinamika

pada kapal laut pembakaran pada motor bakar dan turbin gas distribusi polutan di

udara aliran darah melalui arteri dB

241 Cara Kerja Program CFD

Umumnya Program CFD komersial diIengkapi dengan user-interface untuk

mempermudah penggunaannya untuk mendefinisikan problem dan untuk menganalisa

hasil simulasi Oleh karena itu program CFD biasanya terdiri dari tiga komponen utama

yang terdiri dari pre-processor solver dan post-processor

Namun pada perangkat lunak CFD yang relatif baru proses simulasi tetap terdiri dari 3

tahap tetapi ketiga komponen tersebut sudah menyatu dalam satu program komputer

dan tidak terlihat terpisah sebagai 3 perangkat lunak yang berbeda (kecuaJi untuk

pembuatan geometri dan mesh) Secara singkat ketiga komponen tersebut akan

dijelaskan dalam hubungannya sebagai bagian dari program CFD sebagai berikut

2411 Pre-processor

Merupakan interface dimana problem didefinisikan sedemikian sehingga dapat

diproses oleh solver Kegiatan pendefinisian permasalahan ini meliputi

Mendefiniskan geometri dari ruangdaerah yang akan disimulasikan yang

disebut sebagai domain

Membagi domain menjadi sub-sub domain yang tidak overlap dengan

membuat grid (atau mesh) sehingga terbentuk sel-sel (atau volume atur atau

40

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 47: Cover dan isi

elemen)

Menentukan fenomena proses yang diperlukan untuk dimodelkan

Mendefinisikan sifat fisik flu ida

Menentukan kondisi batas (boundary condition) yang diperlukan pada suatu

sel yang terletak atau menyentuh pada batas domain

Solusi dari problem aliran (kecepatan tekanan temperatur dB) didefinisikan

pada suatu titik (node) yang teletak di pusat setiap sel Dengan demikian keakuratan

dari simulasi CFD sangat ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid Secara umum

semakin besar jumlah sel akurasi simulasi akan semakin baik Akan tetapi jumlah sel

yang besar juga akan membutuhkan lebih banyak memori komputer yang berakibat

pada semakin lamariya waktu yang diperlukan untuk perhitunganpemprosesan

2412 Solver

Semua program CFD menggunakan metode finite-volume merupakan

pengembangan metode finite-difference Algoritma perhitungannya terdiri dari tiga

tahap yaitui

1 Integrasi persamaan-persamaan yang mengatur terjadinya aliran pada

seluruh sel di dalam domain dan pada waktu yang tertentu untuk proses

transien Tahap ini yang membedakan metode finite-volume dengan metode

lainnya

2 Diskretisasi yang mencakup penggantian persamaan-persamaan hasil

integrasi menjadi persamaan-persamaan aljabar biasa dengan pendekatan

finite-difference

3 Penyelesaian persamaan-persamaan aljabar secara iteratif

Program CFD memiliki teknik diskretisasi yang sesuai untuk diaplikasikan pada

fenomena perpindahan (transport phenomena) yang terdiri dari konveksi (perpindahan

karena ali ran fluida) dan difusi (perpindahan karena variasi variabel ltp pada setiap

titik) Selain itu diskretisasi juga diaplikasikan pada suku kecepatan perubahan variabel

ltp dari waktu ke waktu dan source (berhubungan dengan terbentuk atau hilangnya

variabel ltp dari satu titik ke titik lain) Dikarenakan fenomena yang terjadi sangat

kompleks dan tidak linear maka pendekatan penyelesaian secara iteratif menjadi

diperlukan

41

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 48: Cover dan isi

2413 Post-Processor

Bagian ini merupakan modul untuk menampilkan data dan hasil perhitungan

dalam bentuk gambar atau grafik sehingga dapat dianalisa dengan mudah Gambar atau

grafik yang dapat ditampilkan meliputi

Geometri domain dan grid

Vektor ali ran

Kontur dalam bentuk garis atau arsiran

Gambar permukaan 2D dan 3D -Particle tracking dll

Pada program-program yang baru terdapat fasilitas tambahan yang dapat

memberikan efek animasi untuk menunjukkan hasil secara dinamik

242 Hukum-hukum Konservasi

Persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida didalam simulasi harus

merepresentasikan pernyataan-pernyataan matematis dari hukum-hukum konservasi

Hukum-hukum tersebut diantaranya

bull Hukum kekekalan massa

bull Kecepatan perubahan momentum sarna dengan jumlah gaya yang bekerja pada

partikel fluida (hukum Newton kedua)

bull Kecepatan perubahan energi sarna dengan jumlah kecepatan penambahan kalor

dan kecepatan kerja yang dilakukan pada partikel fluida (hukum termodinamika

pertama)

Walaupun hukum-hukum yang digunakan sarna akan tetapi akan ada berbagai

versi persamaan yang digunakan oleh berbagai program CFD yang dijual di pasar

Berikut ini akan ditunjukkan persamaan-persamaan dasar yang umum digunakan

Fluida dapat dianggap sebagai benda yang kontinyu Untuk analisa maka diambil

satu elemen fluida dengan panjang sisi-sisi 8x 8y dan 8z seperti gambar di bawah ini

42

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 49: Cover dan isi

S I I

~~~1eurot

Gambar 31 Satu unit elemen fluida

Masing-masing permukaan diberi label N S E W T dan B yang merupakan

singkatan dari North South East West Top dan Bottom Pusat dari elemen terletak

pada koordinat (xyz) Semua sifat fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu

sehingga dapat ditulis misalnya p(xyzt) p(xyzt) T(xyzt) dan u(xyzt) untuk massa

jenis tekanan temperatur dan vektor kecepatan

2421 Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa menyatakan kekekalan suatu zat atau benda

Persamaan kekekalan massa dapat dituliskan menurut ref [10]

ap + a(01) + a(pv) + a(pw) =0 (4)at ax ay az

dimana u v dan w adalah vektor kecepatan dengan arah x untuk u y untuk v dan z

untuk w Bentuk di atas biasa disingkat menjadi [10]

ap + div(pu) =0 (5)at

Persamaan di atas menunjukkan konservasi massa tiga dimensi untuk proses

unsteady pada suatu titik untuk compressible fluid Suku pertama menunjukkan

perubahan massa jenis yang terjadi pada suatu perubahan waktu Sedangkan suku

kedua menjelaskan tentang aliran massa netto dari elemen keluar melalui dinding dan

biasa disebut sebagai suku konvektif

43

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 50: Cover dan isi

Untuk incompressible fluid (cairan) massa jenis dianggap konstan sehingga

persamaan menjadi [10]

div u =0 (6)

2422 Kekekalan Momentum

Dengan berdasarkan pada hukum Newton kedua dan pada persamaan Naviershy

Stokes maka persamaan kekekalan momentum yang mengatur aliran fluida unsteady 3

dimensi dari fluida compressible Newtonian adalah sebagai berikut [3]

Momentum arah x 0( pu) + div( puu) = - ap + div( Ji grad u) + SMelt (7a)at ax

Momentum arah y a( pv) + div( pvu) = - ap + div(Ji grad v) + SM (7b)at ay Y

Momentum arah z a( pw) + div( pwu) = - ap + div( Ji grad w) + SMz (7c)at az

S~l adalah momentum sources yang hanya memberikan kontribusi karena body force

Sebagai contoh jika body force disebabkan oleh gravitasi maka dimodelkan sebagai

berikut SMx = 0 SMy = 0 dan SMz = - pg

2423 Kekekalan Energi

Persamaan kekekalan energi diperoleh dari hukum termodinamika pertama

Dari hukum kekekalan energi tersebut dapat diperoleh konservasi energi dalam dalam

bentuk persamaan sebagai berikut [10]

a( pi) + div( piu) = - P div u + div(k grad T) + ltlgt + S (8)at

dimana cD adalah dissipation function merupakan efek dari viscous stresses dan Si adalah

source untuk energi dalam

2424 Persamaan Keadaan

Gerakan fluida dalam 3 dimensi telah dijelaskan berupa sistem yang terdiri dari

5 persamaan diferensial parsial yaitu persamaan koNservasi massa persamaan

momentum arah x y dan z dan persamaan energi Di dalam persamaan-persamaan

44

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 51: Cover dan isi

tersebut masih ada 4 variabel lagi yang belum diketahui yaitu p p i dan T Keempat

variabel tersebut dapat dihubungkan dengan membuat asumsi kesetimbangan

termodinamika pada proses Dengan asumsi tersebut 2 variabel tingkat keadaan

tereliminasi dari 4 variabel di atas

2425 Model Turbulensi

Kelima persamaan di atas telah mencukupi jika digunakan untuk

mensimulasikan aliran laminar Untuk ali ran dengan bilangan Reynolds yang tinggi

maka model perlu dimodikasi dan untuk beberapa model tertentu memerlukan

tambahan berberapa persamaan untuk memasukkan pengaruh turbulensi tersebut Ada

banyak model turbulensi seperti misalnya

bull zero equation model- mixing length model

bull model dengan 2 persamaan - k-E model (+ 2PDEs)

bull model persamaan tegangan Reynolds (+ 6 PDEs)

bull model tegangan aljabar (+ 2 PDEs + 1 pers aljabar) dB

2426 Bentuk Urnurn Persarnaan Differensial

Jika diperhatikan secara seksama maka berbagai persamaan differensial di atas

memiliki berbagai kesamaan bentuk untuk setiap variabel Jika berbagai variabel

tersebut diganti dengan varia bel umum $ maka dapat disusun bentuk umum

persamaan differensial sbb [10]

a(pcent) + div(pucent) = div(f grad cent) + Scent (9)

at (transien) (konveksi) (difusi) (source)

dengan t menyatakan waktu

p menyatakan massa jenis

$ menyatakan varia bel umum seperti misalnya ental pi fraksi massa

temperatur tekanan dB

u menyatakan vektor kecepatan

f menyatakan koefisien difusi dan

S~ menyatakan besarnya source dari $

45

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 52: Cover dan isi

div UJ menyatakan flux netto per unit volume (3D) = 8Jx + aly + alz

ax ry 8z

2427 Koordinat

Variabel-variabel yang menjadi pokok bahasan di atas adalah merupakan

variabel-variabel tak bebas (dependent variables ~) Secara umum variabel-vriabel

tersebut merupakan fungsi dari koordinat ruang (3D xy dan z) dan waktu (t) yang

merupakan variabel bebas (independent variables) Di dalam metode numeris kita

harus memilih atau menentukan harga untuk variabel bebas pada lokasi dan waktu

dimana variabel ~ dihitung Untungnya tidak semua problem harus diselesaikan dengan

memperhatikan semua (4) variabel bebas tersebut Dengan semakin sedikitnya variabel

bebas yang terlibat maka pehitungan akan menjadi lebih sederhana dan dapat

diselesaikan lebih cepat Dengan demikian dikenal situasi simulasi l-dimensi Qarang

ada) 2-dimensi dan 3-dimensi yang berhubungan dengan lokasi dan simulasi steady

dan unsteady untuk menunjukkan peran waktu dalam simulasi

Dengan adanya keuntungan dalam penggunaan variabel bebas sesedikit

mungkin maka dalam pembuatan simulasi numeris sangat didorong untuk melakukan

penyederhanaan-penyederhanaan model untuk meminimalkan variabel bebas namun

tetap dapat mencerminkan kondisi yang realistis

2428 Klasifikasi Model Berdasar Kondisi Koordinat

Model simulasi seringkali juga ditentukan kondisi koordinat Untuk itu model

dapat diklasifikasikan sebagai berikut

1 One-way coordinate adalah suatu kondisi bahwa harga variabel cp pada suatu

koordinat hanya dipengaruhi dari salah satu sisi dari koordinat tersebut

Sebagai contoh pada simulasi unsteady harga variabel cp pada suatu t tertentu

tidak dipengaruhi oleh harga cp pada waktu setelahnya Terminologi yang

digunakan dalam bahasa matematika untuk kondisi model seperti ini adalah

kondisi parabolik

2 Two-way coordinate adalah suatu kondisi dimana harga variabel cp pada suatu

koordinat dipengaruhi oleh harga cp pada kedua sisinya Sebagai contoh

konduksi panas pada suatu batang logam maka temperatur pada lokasi

46

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 53: Cover dan isi

tertentu pada batang logam tersebut akan ditentukan oleh temperatur pada

kedua ujung batang logam Dalam bahasa metematis kondisi ini dinamakan

eliptik

Suatu model bisa memiliki 2 kondisi di atas bergantung pada cara

memandang proses tersebut Sebagai contoh proses konduksi panas unsteady

yang biasanya dimasukkan sebagai parabolik tetapi kenyataannya adalah

parabolik terhadap waktu dan eliptik terhadap koordinat ruang

Selain 2 jenis kondisi koordinat di atas model matematis juga mengenal

istilah hiperbolik Namun di dalam metode numerik kondisi tersebut biasanya

dimasukkan sebagai bagian dari problem eliptik

Implikasi dari kedua klasifikasi terhadap simulasi numerik adalah

penghematan waktu dan memori komputer Jika suatu model dapat

disederhanakan sehingga menjadi problem parabolik maka memori yang

dibutuhkan menjadi berkurang dan demikian juga perhitungan yang

dilakukan dan waktu yang diperlukan

243 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Di dalam setiap simulasi CFD akan selalu didefinisikan kondisi batas sebagai

bagian dari model Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui cara

menentukan dan perannya dalam penyelesaian perhitungan Beberapa jenis kondisi

batas yang sering digunakan diantaranya adalah inlet outlet wall simetri dan

periodik

Pada saat menyusun staggered grid tambahan nodal dibuat mengelilingi bidang

batas fisik model Perhitungan hanya dibuat pada nodal bagian dalam (1~2 dan J~2)

Terdapat 2 hal penting dari susunan tersebut yaitu batas fisik model sarna dengan batas

volue atur skalar dan nodal sepanjang inlet (1=1) digunakan untuk menyimpan kondisi

inlet Hal ini menyebabkan penggunaan kondisi batas akan sedikit mengubah

persamaan diskretisasi di nodal di dekat kondisi batas

2431 Membuat harga 0 konstan pada suatu nodal

Hal ini dapat dicapai dengan mengatur harga source Su dan Sp sedemikian hingga

47

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 54: Cover dan isi

harga 0 di nodal P konstan pada 0fix Sebagai contoh jika ditetapkan Sp = -1030 dan Su

=1030 0fix dan dimasukkan ke dalam persamaan diskretisasi maka akan diperoleh

(10)

Angka yang digunakan tidak harus 1030 tetapi harus cukup besar dibanding semua

koefisien didalam persamaan diskretisasi sehingga G p dan Gob dapat diabaikan Dengan

demikian akan didapat

(11)

yang membuat harga harga 0 di titik P konstan pada harga 0fix

2421 Kondisi batas INLET

Untuk mempermudah pembahasan akan didiskusikan aliran 1-dimensi ke arah

x+ dengan inlet tegak lurus terhadap arah ali ran Sebagaimana telah ditunjukkan

sebelumnya bahwa letak inlet berimpit dengan bidang permukaan volume atur yang

pertama Dengan demikian tidak diperlukan koreksi dan modifikasi terhadap kecepatan

inlet yang telah diketahui karena sudah berada pada posisi yang sarna antara batas fisik

dan batas grid dari persamaan diskretisasi Dengan demikian harga u akan menjadi

bull I1w = IIw (12)

dan koefisien awdari persamaan diskretisasi pada lokasi inlet akan diset sarna dengan O

Medan tekanan yang diperoleh dari persamaan koreksi tekanan tidak

menghasilkan tekanan absolut Praktek yang biasa dilakukan adalah dengan

menentukan tekanan absolut pada salah satu nodal di INLET dan menentukan koreksi

tekanan sarna dengan 0 pada nodal tersebut Dengan demikian medan tekanan absolut

akan dapat dihitung dari medan tekanan dari persamaan koreksi tekanan

2433 Kondisi batas OUTLET

Jika arah aliran ke x+ dengan jumlah nodal NI (arah sumbu-x) maka

penyelesaian perhitungan hanya dilakukan sampai dengan sel yang ke-(NI-l) Sebelum

itu untuk sel terakhir ditentukan dengan ekstrapolasi dari pusat sel dengan asumsi

gradien sarna dengan 0 di bidang permukaan OUTLET Perlu diperhatikan bahwa

persamaan untuk kecepatan arah-y dan skalar hal tersebut mengakibatkan penentuan

48

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 55: Cover dan isi

VNIj = VNI-lj dan 0NIj = 0NI-lj yang dapat diselesaikan secara normal Namun untuk

kecepatan arah-x asumsi gradien sarna dengan 0 akan menyebabkan

UNIj = UNl-lj (13)

yang selama proses iterasi dengan metode SIMPLE tidak ada jaminan terjadi kosnervasi

massa pada seluruh domain Untuk memastikan bahwa persamaan kontinuitas berlaku

di seluruh domain maka total fluks massa yang keluar dari domain (Mout) dihitung

pertama kali dengan menjumlahkan seluruh kecepatan outlet hasil ekstrapolasi Agar

fluks massa keluar domain (Mout) sarna dengan yang masuk ke domain (Min) maka

komponen kecepatan arah-x di sisi kanan persamaan (13) harus dikalikan dengan rasio

MinMout Sehingga persamaan

kecepatan menjadi

UNlj = UNI-lj X MlnMout (14)

Kecepatan pada batas OUTLET tidak dikoreksi dengan koreksi tekanan sehingga

di dalam persamaan diskretisasi koreksi tekanan hubungan ke batas OUTLET (sisi e)

dihilangkan dengan menentukan aE = O

2434 Kondisi batas WALL

WALL adalah jenis kondisi batas yang paling sering dijumpai pada model aliran

tertutup (confined) Sebagai ilustrasi adalah model aliran ke arah x(+) dengan dinding

sepanjang arah x (misalkan disisi s dari domain) Dengan demikian arah komponen

kecepatan u akan sejajar dengan dinding dan komponen kecepaatn v tegak lurus

terhadap dinding demikan juga untuk variabel skalar

Untuk kondisi tanpa slip maka kondisi yang cocok untuk komponen kecepatan

di dinding padat adalah u=v=o Karena kecepatan dinding telah tertentu maka tidak

diperlukan koreksi tekanan pada dinding tersebut Dengan demikian pada persamaan

diskretisasi koreksi tekanan di sel yang terdekat dengan dinding WALL hubungan ke

dinding WALL dihilangkan dengan menentukan as=O dan vw=Vw sebagai suku SOURCE

Di dalam simulasi CFD lapisan batas turbulensi di dekat suatu dinding

merupakan stuktur yang berlapis-lapis Lapisan yang menempel pada dinding

49

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 56: Cover dan isi

merupakan lapisan yang sangat tipis dan viskous kemudian di luarnya adalah lapisan

buffer dan inti turbulensi (turbulent core) Untuk mensimulasikan setiap lapisan secara

mendetil akan memerlukan jumlah grid yang sangat besar sehingga tidak mungkin

diaplikasikan di dalam simulasi CFD Oleh karena itu dikenal suatu fungsi yang dikenal

sebagai wall function untuk merepresentasikan efek dari dinding terhadap aliran

fluida di dekatnya

Untuk simulasi aliran turbulen perhitungan diawali dengan menyelesaikan

persamaan

(15)

dengan JyP adalah jarak antara nodal di dekat dinding P dengan permukaan padat

Aliran di dekat dinding diklasifikasikan sebagai aliran laminar jika ys1163 Jika

y~1163 maka alirannya adalah turbulen dan pendekatan fungsi dinding akan

digunakan Kriteria tersebut menentukan pergantian dari laminar ke turbulen dan

sebaliknya untuk aliran di dalam lapisan buffer antara daerah linear dan log-law dari

suatu lapisan turbulen di dekat dinding Harga y=1163 sendiri menunjukkan area

irisan dari aliran dengan profil linear dan aliran dengan profil log-law yang diperoleh

dari persamaan

(16)

Di dalam persamaan (16) ini K adalah konstanta von Karman (=04187) dan E

adalah konstanta integrasi yang bergantung pada kekasaran permukaan dinding Untuk

permukaan dinding yang halus dan tegangan geser yang konstan maka E=9793

2435 Kondisi batas SYMMETRY (Simetri)

Kondisi pada batas simetri adalah tidak ada aliran melalui bidang batas dan

tidak ada fluks skalar melewati bidang batas Sehingga pada pelaksanaannya kecepatan

tegak lurus bidang batas diset samadengan 0 di bidang batas tersebut Harga variabel

pada nodal yang berada tepat di luar bidang batas diset sarna dengan harga pada nodal

yang tepat disebelahnya di bagian dalam

50

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 57: Cover dan isi

2436 Kondisi batas PERIODIC (Periodik)

Kondisi ini muncul sebagai bentuk lain dari SYMMETRY Kalau kondisi batas

SYMMETRI memunculkan daerah yang merupakan cermin dari domain terhadap

kondisi batas maka kondisi batas PERIODIC akan mengulang domain tepat di sebelah

luar dari kondisi batas PERIODIC Dalam hal ini akan dikenal pasangan kondisi batas

PERIODIC yang merupakan referensi dari kondisi periodik yang satu berfungsi sebagai

inlet dan yang lain sebagai outlet Dengan demikian kondisi batas PERIODIC sebagai

inlet harus sarna persis dengan kondisi batas PERIODIC sebagai outlet Jika batas-batas

pada k=l dan pada k=NK merupangan pasangan dari kondisi batas PERODIC maka

untuk seluruh variable kecuali kecepatan berlaku

(17)~lJ =9NK-lJ dan

Sedangkan untuk komponen kecepatan berlaku persamaan

VNKt lJ = J (18)dan

2437 Kondisi batas lainnya

Selain jenis-jenis di atas masih banyak kondisi batas lain seperti untuk

mensimulasikan kondisi daerah dengan tekanan konstan kondisi yang khusus seperti

misalnya interface antara 2 mesh yang diam dan bergerak dB

51

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 58: Cover dan isi

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

31 Tujuan dan Sasaran

Kegiatan ini bertujuan untuk melakukan kajian modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner guna mengetahui apakah

turbin uap dapat diappliksikan pad a turbin hidrokarbon serta akan menghasilkan

engineering design untuk turbin hidrokarbon yang optimal dan siap

diimplementasikan serta diharapkan dapat dibangun secara keseluruhan oleh

i nd ustri dalam negeri

Sasaran kegiatan ini adalah dikuasainya modifikasi desain turbin uap

menjadi turbin hidrokarbon untuk PLTP siklus biner serta engineering design guna

meningkatkan unjuk kerja komponen turbin dengan efek sebagai berikut

1 mampu mengembangkan industri pembangkit di dalam negeri dalam

pekerjaan engineering design

2 Membantu tercapainya implementasi dan dapat terbangun secara

keseluruhan komponen turbin oleh industri manufaktur dalam negeri

termasuk akan memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri

komponen pada UKM

32 Pemanfaatan Ristek

Perkembangan riset dan teknologi dari kajian ini diharapkan dapat memberikan

manfaat untuk pemerintah industri dan masyarakat berikut adalah manfaat ristek

1 Hasil pengembangan PLTP skala kecil dapat mensubstitusi PLTD sebesar 600

MW yang tersebar di daerah yang mempunyai sumber panas bumi dimana

akan mensubstitusi BBM sebesar 450 ribu kilo liter potensi penghematan BBM

Rp2 Trilyun tahun (berdasarkan sumber data 2007)

2 Memacu perkembangan industrialisasi dalam negeri dengan dimotori BUMN

dengan demikian meningkatkan kualitas SDM dalam negeri

3 Multiplier Effect Mengembangkan industri komponen dan industri pendukung

dalam negeri (UKM) dan membuka kesempatan kerja yang luas

52

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 59: Cover dan isi

4 Meningkatkan TKDN (tingkat kadungan dalam negeri) diharapkan lebih 80

pada tahun 2025 dan menurunkan biaya investasi hingga 30

5 Membantu pemanfaatan sumber energi Iokal sebesar-besarnya mencegah

pencemaran lingkungan karena emisijlimbah panas bumi sangat kecil (ramah

Iingkungan)

33 Manaat Ekonomi

Secara umum ada 2 (dua) hasil kegiatan akan dapat dirasakan manfaatnya yaitu

engineering design yang optimal tentang teknologi pembuatan turbin hidrokarbon dan

peningkatan kuaIitas industri lokal komponen maupun pembangkitan yang

menggunakan energi panas bumi

331 Dampak ekonomi pemanfaatan hasil

Manfaat Langsung dapat dirasakan oleh masyarakat adalah

o Peningkatan kuantitas industri komponen lokal terhadapt daya saing

o Peningkatan pengembangan industri pembangkit di dalam negeri

332 Kontribusi terhadap sektor lain

o Meningkatkan kapasitas SDM masyarakat terutama dalam pengembangan

turbin hidrocarbon untuk pengembangan PLTP Skala Kecil

o Meningkatkan kualitas produk industri melalui penerapan teknologi turbin

hidrokarbon

o Memberikan multiplier effect dalam pengembangan industri komponen pada

UKM

o Optimasi sumberdaya energi (panas bumi) lokal

53

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 60: Cover dan isi

BABIV

MEDOTOLOGI

Metodologi dalam kegiatan ini adalah melalui 4 tahapan yaitu Geometri 2D

Validasi Model Simulasi Model dan Kondisi Batas (Boundary Conditions) Berikut

dibawah ini adalah penjelasan masing-masing tahapan

41 Geometri 2D

Simulasi CFD dilakukan dengan penyederhanaan geometri turbin menjadi 2-D (2

dimensi) Dengan penyederhanaan tersebut waktu simulasi menjadi jauh lebih cepat

dengan hasil yang tidak berbeda jauh dari simulasi model 3-D Model 2-D dilakukan

dengan mengambil posisi pada pertengahan tinggi blade dimana pada posisi tersebut

dapat ditentukan diamater rata-rata rotor dengan mengacu pada ketinggian tersebut

Berdasarkan diameter rata-rata dan kecepatan putaran turbin maka kecepatan linier

rotor pada diameter rata-rata dapat dihitung dan digunakan dalam perhitungan

simulasi turbin sebagai kecepatan linier rotor

42 Validasi Model

Validasi model adalah melakukan simulasi model dengan fluida sebenarnya yaitu

steam pada kondisi operasi (kondisi disainnya) Dari simulasi tersebut akan diperoleh

penurunan ental pi dan jika dikalikan dengan laju alir steam akan menghasilkan daya

turbin hasH simulasi Selanjutnya daya turbin hasil simulasi akan dibandingkan dengan

daya tubin sesuai disain yaitu 450 hp Jika besaran daya hasH simulasi sudah

mempunyai orde besaran yang sarna dengan daya disain maka model dianggap telah

disetel dengan benar Untuk lebih mudah melihat apakah hasil simulasi yang telah

mendekati kondisi disain maka besarnya penurunan entalpi dari inlet ke outlet turbin

harus berkisar 2285 kJkg

43 Simulasi Model

Berdasarkan setelan simulasi model turbin yang telah divalidasi dengan fluida

steam maka dilakukan simulasi untuk model dengan fluida kerja n-butana Hal ini

54

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 61: Cover dan isi

dilakukan dengan cara fluida kerja dan kondisi inlet pada model simulasi diganti

dengan n-butana pada kondisi yang direncanakan di sistem PLTP siklus biner Oari hasil

perhitungan simulasi akan diperoleh data entalpi n-butana di inlet dan outlet turbin

sehingga dapat dihitung penurunan entapi yang terjadi Oari besaran penurunan entalpi

hasil simulasi dan laju alir n-butana yang direncanakan di disain sistem PLTP BC maka

dapat dihitung daya turbin jika menggunakan fluida yang baru Selanjutnya daya

tersebut dapat dikoreksi dengan suatu faktor yang diperoleh dari perbedaan daya hasil

simulasi dengan daya turbin untuk fluida steam

44 Kondisi Batas (Boundary Conditions)

Secara garis besar pemodelan dibatasi oleh beberapa kondisi yang terdiri dari

a Pressure inlet

Tekanan masuk ditentukan dengan mengambil data desain Kondisi batas

tekanan masuk juga memerlukan data temperatur sehingga perangkat lunak

(software) CFO dapat mencari sifat thermodinamika fluida pada kondisi

masuk

b Pressure outlet

Jika kita ingin mensimulasikan kondisi turbin secara keseluruhan maka

kondisi saat masuk dan keluar dapat digunakan sebagai kondisi akhir uap

yang kita harapkan Selisih kondisi masuk dan keluar tersebut akan di

simulasikan software CFO sedemikian rupa sampai pada akhirnya akan

ditemukan sifat-sifat uap di setiap tingkat

c Periodic

Oalam hal ini tidak perlu membuat bentuk profile sudu secara keseluruhan

Menggunakan kondisi batas periodic (untuk hal ini periodik melingkar) cukup

untuk merepresentasikan aliran fluida di sudu lain (untuk tingkat yang sarna)

d Steady state

Karena tidak ada interaksi antara poros turbin dengan rotor maupun stator

maka analisis steady state cukup sebagai pilihan dalam simulasi ini

e Aliran fluida dimodelkan turbulen

Berdasarkan nilai kecepatan masuk dan keluar uap yang memiliki bilangan

reynol yang begitu besar maka simulasi ini sebaiknya menggunaka kondisi

aliran turbulen yang mana nanti software CFO akan memberikan analisis

55

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 62: Cover dan isi

dengan menggunakan persamaan-persamaan aliran turbulen mekanika

fluida

Dibawah ini adalah contoh-contoh gambar-gambar untuk simulasi dan hasiI simulasi

Gambar 32 Penentuan Domain Masuk dan Keluar Uap Melewati Sudu

Gambar dibawah ini menunjukkan beberapa tampiIan dari grid satu sudu turbin

hidrokarbon pada tingkat kurtis

d

Gambar 33 a) Grid dan Meshing b) Solid Sudu c) Kaskade Sudu d) Sudu Curtis Tingkat Pertama

56

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 63: Cover dan isi

Gild (T~5)OOOOe OO)

Gambar 34 Grid Oua Oimensi (20) Sudu Turbin Hidrokarbon

1 6~O

15000

1 bull 000

13000

12 000

CI 11000

10000

09000

08000

1

~

1 1 1 1 1 I

II V ~

07000 +---~----~----~----

031B 031S 031S 0318 0318 0319 0319

Time

Gambar 35 Grafik Konstanta Lift (el) Terhadap Waktu (Smulas Unsteady)

57

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 64: Cover dan isi

BABV

HASIL DAN PEMBAHASAN

51 Geometri - Model Turbin 450 hp

Gambar model turbin 450 hp dibuat berdasarkan data yang ada terdiri dari nose

sudu baris ke-1 sudu balik sudu baris ke-2 dan outlet Pengecualian terjadi pad a nosel

inlet dan outlet model nosel inlet dan outlet dilakukan penyederahaan model bagianshy

bagian lain digambar sesuai bentuk dan ukuran turbin 450 hp yang ada dan

disederhanakan dalam bentuk gambar 2-D dari penampang pada posisi pertengahan

ketinggian nosel dan sudu Gambar-gambar bagian-bagian dan rangkaian dari model

adalah sebagai berikut

1 Nosel 2 Sudu baris ke-1 3 Sudu balik

4 Sudu baris ke-2 5 Outlet Gambar 36 Bagian - Bagian Geometri - Model Turbin 450 hp

Jika gambar-gambar tersebut digabungkan maka akan terbetuk model turbin 450 hp

termasuk dengan gambar mesh-nya sebagai berikut

58

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 65: Cover dan isi

Gambar 37 Geometri dan Mesh- Model Turbin 450 hp

Model tersebut dipisahkan bagian-bagiannya agar dapat dilakukan simulasi CFD dengan

kondisi rotor (ke-l dan ke-2) yang dapat bergerak

52 Kondisi Operasi

Kondisi operasi yang akan disimulasikan berdasarkan data spesifikasi turbin

untuk fluida kerja uap air dan hasil disain proses PLTP BC 100 kW untuk fluida kerja nshy

Butana adalah sebagai berikut

T b a e13 0 ata proses mod 1 e No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Kecepatan 4336 4336I1lm

Bar abs Tekanan inlet 16 2182 QC3 Temperatur inlet 320 1201

Tekanan outlet Bar abs 18 45414 QCTemperatur outlet 64425 na

Daya yang diharapkan 450 hp 100kW6 Laju aIir diperlukan untuk mendapat 52907 2494 kgdet daya yang diharapkan kgjam

Berdasarkan kondisi operasi seperti ditunjukkan pada tabel di atas maka pemilihan

model dan penyetelan dari model turbin PLTP BC ini adalah

521 Inlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk inlet adalah pressure-inlet dengan kondisi

batas disetel sebagai berikut

59

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 66: Cover dan isi

ITabe14 PenyeteIan kondlSI batas In et No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauqe Total Pressure Pa 1500000 2080000

393252 Total temperature K 59315 3 Direction vector X X 4 Turbulence Intensity 5 5 5 Hydraulic Diameter mm 1272 1272

522 Outlet

Tipe kondisi batas yang dipilih untuk outlet adalah pressure-outlet dengan

kondisi batas disetel sebagai berikut

t 1 k dmiddot b taTabe15 Penye e an on lSI a soutlet No Parameter Operasi Unit Uap air n-Butana 1 Gauge Pressure Pa 80000 354100 2 Total temperature K 374 33757 3 BackflowDirect Spec Met normal to boundary

523 Gerakan rotor

Gerakan rotor dilakukan dengan menyetel kondisi fluida pada kedua rotor

seolah bergerak dengan memilih opsi Moving Mesh pada kecepatan sebesar

1361 mdet ke arah sumby y positif Kecepatan tersebut diperoleh dari hasil

perhitungan kecepatan putaran turbin dan mean diameter dari rotor

524 Solver

Untuk menyelesaikan perhitungan simulasi maka dipilih Solver tipe Segregated

dan formulasi Implicit untuk simulasi pada kondisi Unsteady

525 Turbulensi

Model turbulensi yang dipilih adalah k-epsilon standard

526 Running model

Setelah seluruh model simulasi turbin disusun dengan menyetel kondisi operasi

kondisi-kondisi batas dan metode penyelesaiannnya maka selanjutnya program

simulasi dijalankan untuk melakukan perhitungan-perhitungan penyelesaiannya

Perhitungan dilakukan dalam 2 tahap yaitu pada kondisi steady dan unsteady

Perhitungan kondisi steady diperlukan untuk mendapatkan harga-harga awal tiap

60

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 67: Cover dan isi

control volume pada harga yang mendekati penyelesaian pada saat simulasi unsteady

Dengan cara demikian konvergensi perhitungan akan lebih cepat dapat dicapai

dibandingkan jika langsung melakukan perhitungan kondisi unsteady

53 Hasil Simulasi

Hasil simulasi mengenai distribusi kecepatan Mach Number temperatur dan

tekanan absolut dapat dilihat pada gambar-gambar berikut Adapun data hasil

perhitungan untuk memperkirakan kinerja turbin dapan dilihat pad a tabel 7 sebagai

berikut

bl d h 1 T be16 Data lam I an aSI per I ea yang d Jgan mod I simu aSI No Fluida Posisi Inlet Outlet H (kJlkg) Flowrate (kgjdet)

detik P (kPa) T (K) P (kPa) T (K) inlet outlet I1IH I1IlZIave Inlet Outlet ratamiddot rata

1 Steam 009495 15567 59315 1800 4980 32640 2982 2820 2763 02529 02554 02514

009497 15568 59315 1800 4996 32640 2988 2760 02521 02522

009499 15568 59315 1800 4998 32640 2993 2710 02521 02437

2 n-butana 009500 21364 39325 4541 3798 6732 630 432 432 06525 06536 06483

009502 21365 39325 4541 3798 6732 630 432 06518 06458

009504 21365 39325 4541 3797 6732 630 432 06510 06353

WaJaupun data yang disajikan cukup lengkap namun simulasi ini hanya ditujukan

untuk mengetahui penurunan entalpi dan energi fluida kerja dari kondisi inlet ke

kondisi outlet turbin Data-data yang ditunjukkan dalam lampiran hanya sebagai

pendukung dan pelengkap perhtungan tersebut sehingga tidak dilakukan analisa

terhadapnya

54 Analisa dan Pembahasan

541 Simulasi dengan Fluida Kerja Uap Air

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 2763 kJkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar

02514 kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 450 hp

diperlukan flowrate sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet Dengan demikian untuk

mendapatkan laju alir sebesar spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 6 buah nosel

jumlah yang terlalu sedikit dibanding jumlah nosel sebenarnya Problem yang terjadi

pada simulasi kemungkinan besar adalah tidak masuknya perhitungan jika terjadi

61

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 68: Cover dan isi

choking Seperti terlihat pada hasil simulasi terjadi Mach Number di atas 1 dan

kecepatan yang sangat tinggi pada outlet sudu balik sehingga ada kemungkinan terjadi

choking yang membatasi laju alir uap pada flow path namun tidak masuk dalam

perhitungan software CFD

Dengan penurunan entalpi sebesar 2763 kJlkg maka untuk laju alir sesuai

disain yaitu sebesar 5290 kgjam atau 14694 kgdet akan menghasilkan konversi

energi sebesar lk 406 kJdet atau 406 kW atau 524 hp Kalau dibandingkan dengan

spesifikasinya maka besarnya daya termal turbin mengalami over prediksi sebesar

16

542 Simulasi dengan Fluida Kerja n-Butana

Dari hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana dapat diperoleh

penurunan entalpi sebesar 433 kJlkg dengan flowrate pada setiap nosel sebesar 06483

kgdet Sedangkan berdasarkan spesifikasi untuk mendapatkan 100 kW diperlukan

flowrate sebesar 2494 kgdet Dengan demikian untuk mendapatkan laju alir sebesar

spesifikasi diperkirakan akan memerlukan 4 buah nose Namun sarna seperti simulasi

CFD turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air diperkirakan juga akan terjadi choking

yang tidak diperhitungkan oleh model simulasi Sarna seperti simulasi dengan uap air

terjadi kondisi Mach Number di atas 1 dengan kecepatan yang sangat tingi pada outlet

sudu balik sehingga ada kemungkinan juga terjadi choking yang akan membatasi laju

alir

Dengan penurunan entalpi sebesar 432 kJkg maka untuk laju alir sesuai disain

yaitu sebesar 2494 kgdet akan menghasilkan konversi energi sebesar plusmn 108 kJldet

atau 108 kW Namun bila mengacu pada simulasi dengan fluida kerja uap air ternyata

terjadi over prediksi sebesar plusmn 16 Bila diasumsikan besaran over prediksi yang sarna

maka daya thermal turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana pada laju alir 2494

kgdet diperkirakan hanya akan mencapai 927 kW Padahal dari PFD PLTP BC 100 kW

dengan laju alir n-butana sebesar itu diharapkan daya termal turbin mencapai 1416

kW

62

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 69: Cover dan isi

625e+02

617e+02

60ge+02

600e+02

5920+02

58-4amp+02

5768+02

567e+02

55ge+02

551e+02

5 ~3e+02

Sl4e+02

5268+02

S16e+02

5 1 0e+02

501+02

9Je+02

85+02

nt02

66e+02

60e+02

6 25e-t02

617e+02

6099+02

6 0Qe02

592amp+02

584e+)2

S76e+02

567amp+02

55ge-+02

SS1e-+02

5lt43e+02

S34e+02

526amp+02

51Be-tlt12

51 Oet 02

501amp+02

93e+02

bull 85e-t02

ne-+02

686+02

60e+02

625e+02

617e-+ 02

6 0ge-+02

6 oae+02

592+02

58-4amp+02

5786+02

5 67e+02- SSge-+02

SSle+02

543e+O2

534e+02

526amp+02

518amp+02

5 10e+02

501middot02

9)e+02

85$+02

ne t 02

668 4 02

c 6Qe+ OZ

Gambar 38 1a Distribusi temperatur hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

laa Pada posisi 009495 detik

lab Pada posisi 009497 detik

lac Pada posisi 009499 detik

63

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 70: Cover dan isi

16Oe+06

153amp+06

145e+-06

1l8e+06

130amp+06

123e+06

1158+00

10ee+06ir

100+06

92~5

85()e+05

775e-+OS

7aoe+OS

825e-+OS

SSOe-+05

7se+OS

4 00e+05

3258+05

2506+05

1758-+05

100eo5

1so+ltl6

1S3e+06

145e+06

1_ 13006

1236+06

115amp+06

108e-t06

100e+00

925amp+05

S5OeoS

77Se+OS

7 00e-t05

6 2Se+OS

550+05

75e+OS

oOe+oS

325amp+05

2so-OS

1758-+05

1()()cOS

1_

1SJe+06

1458-+06

1l8e+06

130e+06

1230laquogt6

11Se+06

U)e+OS

100e+00

925e+ltlS

85Oe+OS

775e+05

7IlOe-t05

6258-+05

S5Oe+05

758-+05

400e+05

3258-+05

2SOe+OS

17Se+05

1eoe+05

Gambar 39 1b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

lha Pada posisi 009495 detik

lhh Pada posisi 009497 detik

lhc Pada posisi 009499 detik

64

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 71: Cover dan isi

1S3e OO

1 bull 5e+00

137e+00

130emiddotOO

122e+OO

1 ISe+OO

107eOO

992e-Ol 916amp-0

840e-0l

763e--Ol

687e--Ol

6 11e(l1

534e-Ol

bull 58e-Ol

362eo-Cl

3 05e-Ol

22ge-Ol

1S3e-Ol

765e-02

142e04

20Oct+oo

190et-OO

UIOe+QO

170e OO

160e+OO

150e+OO

140e+00

130e+00

120e+OO

1108+00

100e-+OO

900amp-0

00-lt) 7QOeOl

6 QOe-Ol

SOOe-OI

4 OOe-Ol

300e-0l

2000-0

00-lt) aOGe+OO

22OtOO

20ge+OO

196e+OO

187e+oo

176e+OO

1658+00

1S4a+OO

14Je+OO

t 3Ze+OO

121e-t)O

1 10e+OO

990amp-01

8806-()1

770amp-01

660amp-0

5500-01

0amp-01

330e-01

220amp-01

110e-D

OOOe+OO

Gambar 40 lc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja uap air

1ca Pad a posisi 009495 detik

1cb Pada posisi 009497 detik

1ce Pada posisi 009499 detik

65

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 72: Cover dan isi

L L L L L L L L L

8006+02

760et02

720e+02

68Ce+02

640e+02

6 006+02

560e+)2

520amp+02

480e+02

4-4Oe-t02

400e+02

360e+02

320e+02

2806+02

240e+02

2 ~02

160amp+02

1 2Oe+02

800e-rtgt1

4 00e+Ol

OoOe+OO

lda Pada posisi 009495 detik

9OOe+02

8 5~02

810e+02

765e+02

720e+02

675e+o2

63Oe-I-02

565e+02

54ae-ltl2

495e+02

4 SOe+)2

40Se+02

360e+02

315ef--02

270e+02

225e+02

16Oe+02

lJ5e+02

9()()+01

4 SOe-tOl

0008+00

ldb Pada posisi 009497 detik

100e-+03

9 soe02

900amp+02

850e+02

800amp+02

7SOe+02

700e+02

I 6 50amp+02

600e+02

550e+02

500e+02

4506+02

400e+02

3500-+02

300amp+02

2509+02

200e+02

1506+02

1006+02

50Qe+01

0008+00

1dc Pada posisi 009499 detik Gambar 41 1d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja uap air

66

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 73: Cover dan isi

ltII 1 0e+02

ltII 08e+02

ltII 06et02

ltII 04e-t-02

ltII OZ~OZ

lt11 008+02

39ampe+OZ

396e-t02 3904amp+0Z

39Zet-OZ

39Ofet)Z

36ampe+OZ

386e+OZ

384e-tOZ

3 6Z~OZ

38Oe-t0Z

376et)Z

3764ttOZ

37lt11e+OZ

372e-t02

370e+OZ

ltII 10e+OZ

0Se+ltl2 06e+ltl2

4l04et OZ

4l 0Ze+OZ

4l00e+02

396et02

3 ~2

3~Z

39kt-ltl2

3 ~02

366et)Z

3 -ltgt2 3804e+QZ

382etOZ

3 60et OZ

378amp+02

376eo+02

374amp+02

372e+ltl2

370etil2

4l10e+02

4l08e-+02

00e+ltl2

4l ~2

4l02e-+ilZ

ltII 00e+02

398amp+02

3 ~2

J 904e+02

392e+02

39Oet-0Z

386e+02

3 66e+02

J 84e+ltI2

362e+02

3 8~2

3 78e-+()2

376e+02

3746+02

372e+02

37()e-t02

Gambar 42 2a Distribusi temperatur hasH simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2aa Pada posisi 009500 detik

2ah Pada posisi 009502 detik

2ac Pada posisi 009504 detik

67

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 74: Cover dan isi

2208+06

211e+06

2010+06

192e-+06

182e+06

173amp+06

1636+06

1540+06tmiddot 1446+06

135e+06

125e+06

116amp+06

10amp+06

965e-t05

870e+ltgtS

7 7Se+OS

6 808+05

S 8amp+05

04908+05

395e+OS

300e+05

220e+ltgt6

211e+06

2 01e+06

192e+06

162e+06

173e+06

163amp+06

1 ~06

144e-t06

t JSe+06

125e+06

116e+06

106e-t06

965e+05

870e+05

7759+05

8 808+05

5 8~05

90amp+05

395amp+05

300e+05

1608+06

153e-t06

145e+06

1l8e+06

1308+06

123e+06

115e-tOS

108amp+06

1OOei-06

925e+05

8SOe-+CS

775e+OS

7aOe-t05

625e+05

550e+05

475e-t05

400e+0S

J25e+05

2SOe-t05

175emiddotOS

100e-t05

Gambar 43 2b Distribusi tekanan absolut hasil simulasi turbin 450 hp dengan fluida kerja N-Butane

2ha Pada posisi 009500 detik

2hh Pada posisi 009502 detik

2hc Pada posisi 009504 detik

68

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 75: Cover dan isi

-

L

L L L ---shyL L L L L

120e+00

114e+OO

106e-+OO

102e+DO

9S0e-0t

900amplt11

840amp-01

780e-Ol

720e-01

SSOe-OI

600e-Ol

54()e) 1

48()eoOl

420e-0l

3S0e-0l

300e-0l

240e-0

l aOe-Ot

120e-0l

603e-02

2S7e-04

2ca Pada posisi 009500 detik

130e+OO

123e+OO

117e+OO

111e+DO

104e+00

975amp-01

9 10e-0l

84seol

78()e-Ol

715e-Ol

650e-0l

58Se-ltl1

520e-)1

455e-Ol

39Oe-Ol

325e-Ol

260e-0l

195e-Ol

130e-0l

650amp-02

ooOe+OO

2eb Pada posisi 009502 detik

150e+OO

142eOO

f 3~OO

127e+OO

120e+00

113amp+00

105e+OO

975e-Ol

9()()e)1 8 25e-Ol

7 S0e-0l

6 75e-Ol

15 0Qe-0l

525amp-01

4S0e-01

375amp-01

300e-Ol

225amp-01

IS0e-0l

7S()e)2

OOQe+OO

2ee Pada posisi 009504 detik Gambar 44 Zc Distribusi Mach Number hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

69

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 76: Cover dan isi

300e+02

28Se-002

270e02

255e 02

24Oe 02

22Se-002

210e02

195ea2

180amp+)2

165e+02

1see 02

135e+02

12Oe +02

105e 02

9aoe01

75Oe+O l

600e+0l

450601

3aoe 01

150e+Ol

O oOeOO

2da Pada posisi O 09500 detik

300e+02

2e5e+02

27ae 02

2S5e+02 240602

-~225e+02

2 tOe+02

195e+02

180e+02

165e+02 shy150e+02

13w 02

120e+02

105e+02

900amp+01

7s ae 01

600e+O l

45Oe--t0 l

3()OeoJOt

1SOe-+O l

-

OQOe+OO

2dh Pada posisi O 09502 detik

360e+02

3420-+02

324e-+02

306e-+02

288ampt 02 -270e 02

2S2e+02

234amp+02 shy216e+02

196e+02

180amp+02

162e+02

144e+02

1 26e02

108(1+ 02

900e+Ot

720e01

5 ~Ol

36Oe+01

180amp+01

OO()e+OO J

2dc Pada posisi 009504 detik Gambar 45 2d Distribusi vektor kecepatan hasil simulasi turbin 450 hp dengan

fluida kerja N-Butane

70

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71

Page 77: Cover dan isi

-

-BABVI

KESIMPULAN DAN SARAN

Hasil simulasi CFO pada turbin uap 450 hp dengan fluida kerja uap air dan nshy

butana pada masing-masing kondisi kerja yang telah dispesifikasikan memperkirakan

daya termal tubin sebesar 524 hp yang plusmn 16 lebih tinggi dari spesifikasinya Jika

besarnya overprediksi 16 digunakan untuk mengoreksi perkiraan daya termal turbin

hasil perhitungan dari simulasi maka daya turbin 450 hp dengan fluida kerja n-butana

hanya akan mencapai 927 kW Oaya sebesar itu masih dibawah kebutuhan untuk PLTP

BC yang mensyaratkan daya termal turbin sebesar 1416 kW pada kondisi inlet dan laju

alir n-butana sesuai disain prosesnya

Teknologi turbin uap dengan kapasitas 450 hp menggunakan fluida kerja uap air

(steam) pada tekanan 15 kgcm2 dan temperatur 320 QC telah dikembangkan oleh unit

kerja pengembangan turbin uap di BPPT Hasil perhitungan menunjukkan bahwa jika

turbin uap tersebut diterapkan pada PLTP binary cycle yang menggunakan fluida kerja

n-butane maka kondisi gas pada turbin outlet menjadi superheated lebih tinggi

daripada kondisi di turbin inlet dengan efisiensi isentropik turbin kurang dari 40

Kondisi ini akan menyebabkan heat load kapasitas kondenser dan dimensinya menjadi

lebih besar sehingga efisiensi pembangkit lebih kecil dan biaya manufaktur kondenser

menjadi lebih mahal Oleh karena itu disimpulkan bahwa turbin uap tersebut tidak

cocok untuk diterapkan pada PLTP binary cycle

71