proceeding seminar nasional tahunan teknik mesin xiv ...eprints.ulm.ac.id/587/1/ke-03.pdf · turbin...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-03

Perencanaan Sistem Pendingin Udara Masuk Gas Turbin 15 o CMenggunakan Absorption Chiller di PLTGU UBP PRIOK

Agung Subagio¹∙ᵃ , Budihardjo, Rivaldo Garchia¹Departemen Teknik Mesin,

Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok, Indonesia (16424)Tel : (+62 21) 7270032 ext. 203. Fax : (+62 21) 7270033

ᵃemail: [email protected], [email protected]

AbstrakMenaikan daya output turbin gas dapat dilakukan dengan mendinginkan udara masuk kedalam turbin gastersebut, karena daya output turbin gas dapat dihitung dengan perkalian aliran masa udara dengan jatuhenthalpy pada turbinnya. Dalam PLTGU sudah tersedia uap sebagai penggerak turbin uap, namunsumber panas tersebut dapat dipergunakan sebagai penggerak mesin Absorbtion Chiller, yang akanmendinginkan udara masuk kedalam turbin gas. Beban pendinginan udara dihitung berdasarkan data cuacaselama 24 jam pada keadaan cuaca maximum dan pola operasi PLTGU serta penggunaan Thermal EnergyStorage (TES) , agar kapasitas mesin pendingin optimal, sehingga tingkat Benefit Cost dan Financialparameter memenuhi persyaratan perbankan.Perhitungan beban pendinginan berdasarkan udara masuk turbin gas sebesar 15 0C sesuai standar ISO danpola operasi PLTGU selama 12 jam , sehingga 12 jam lainnya merupakan waktu operasi mesin pendinginuntuk menyimpan air dingin didalam TES, yang berguna untuk memperkecil kapasitas mesin pendingin.Kebutuhan uap sebagai penggerak Absorbtion Chiller diperhitungkan sesuai beban pendingin tersebut,termasuk penurunan kapasitas turbin uap. Biaya pembangunan pemasangan sistim pendingin dan TESdihitung, agar dapat menghitung parameter financial seperti Net Present Value (NPV), Internal Rate ofReturn (IRR) dan Benefit Cost Ratio (BCR).PLTGU Blok 1 - Priok umumnya operasi turbin gas tidak beban penuh, tetapi hanya 83 MW padasuhu operasi 33 0C, apabila udara masuk turbin gas diturunkan menjadi 15 0C, diperoleh kenaikan dayaturbin gas 11 MW dan kenaikan efisiensi 4 %, namun ada penurunan daya turbin uap sebesar 3.27 MW.Dari data operasi selama 2014 diperoleh produksi listrik 2 GT sebesar 1,054,664,000 kWh, tariplistrik Rp 732/kWh, rencana waktu operasional 20 tahun, dan total investasi pemasangan sistimpendingin sebesar USD 11,271,097.- , maka diperoleh NPV: USD 24,295,977.- , BCR : 2.06 , IRR : 42.15% . Kenaikan efisiensi 4 % akan menghemat bahan bakar gas sebesar USD 7,825,619.- per tahun denganasumsi harga gas : USD 7.- / MMBtu.Melihat keuntungan dan penghematan yang diperoleh, maka selayaknya pemasangan mesin pendinginuntuk menurunkan suhu udara masuk turbin gas layak dipertimbangkan.

1. PendahuluaTurbin Gas yang terpasang di daerah udarapanas seperti Indonesia, mengalamipenurunan daya output dibandingkan dengankemampuannya dari pabrikan, karena diuji

kinerjanya pada temperatur 150C sesuaidengan standart ISO. Oleh karena itu dengan

temperatur rata-rata 330C khususnya diJakarta, menyebabkan penurunan kapasitas outTurbin Gas cukup berarti, yakni lebih dari10 %, sehingga potensi tersebut perludiberdayakan, bahkan akan mendapat

tambahan daya lebih dari 10%, apabilauadara masuk ke turbin diturunkan

mendekati temperature 150C. Karakteristikdaya output terhadap perubahantemperature udara masuk, yakni sesuai denganperhitungan daya output turbin gas yangmerupakan fungsi dari aliran masa udaramasuk, dimana makin dingin temperatureudara maka akan makin berat udara tersebut,karena density akan lebih besar, apabilatemperature udara tersebut makin dingin.Untuk mendinginkan udara masuk ke


KE-03

kompresor dari 330C menjadi 150C perlumesin pendingin, baik menggunakanmechanical refrigeration atau denganabsorbtion refrigeration. Kedua jenis mesinpendingin tersebut perlu dikaji pemilihannya,karena menyangkut kinerja mesin pendinginterhadap daya out put turbin gas yangdihasilkan, baik dari sisi teknis maupun sisiekonomis yang perlu dipertimbangkan.

PLTGU Tanjung Priok Blok 1 terdiri dari 3unit Turbin Gas (ABB-GT 13 E1)dengankapasitas rata rata 130 MW pada kondisi ISO

(150C), sedangkan kondisi temperatureoperasional di Tanjung Priok sebesar rata-

rata 33 0C ( siang hari). Dari data operasi th2014 diperoleh produksi listrik sebesar1,059,664.000.- kWh dari 2 unit turbin gasdengan output rata-rata 100 MW dan polaoperasi 12 jam per hari . Oleh karena ituapabila temperaturnya diturunkan menjadi

150C, maka akan diperoleh tambahan dayasebesar 2 x 30 MW: 60 MW.

Perhitungan beban pendingin untukmendinginkan udara masuk Turbin gas

menjadi suhu 15 0 C dan penggunaan ThermalEnergy Storage (TES) akan menghasilkankapasitas mesin pendingin yang optimal,sehingga diperoleh biaya investasi tidak terlalutinggi dibandingkan keuntungan financialyang diperoleh .

2. ANALISIS PERHITUNGAN

2.1 Analisis Kondisi Lingkungan

Wilayah Tanjung Priok termasuk dalamdaerah beriklim tropis dengan perbedaancurah hujan yang cukup kecil sekali dan dipengaruhi oleh iklim musim. Secara umumdaerah tanjung priok memiliki dua musim yaitumusim kemarau antara bulan April-Septemberdan musim hujan antara bulan Oktober-Maret dimana temperatur rata-rata tiap jamdan tiap bulannya dapat dilihat dari grafikdibawah ini. Dalam hal ini tempertaurudara ambient yang di ambil sebagai acuan

udara masuk turbin gas sebesar 33o C.

Grafik 4.2 Data temperatur per jam PLTGTj Priok tiap bulan

2.2 Diagram GT + AbsorptionChiller

Gambar 4.1 Skematik PLTGdengan Absorption Chiller

Diagram diatas menggambarkan komponen-komponen yang ada dalam sistemabsorption chiller. Absorption Chiller (SistemPendingin Penyerepan Uap) adalah alatpenukar kalor yang berfungsi sebagaipendingin dengan menggunakanprinsip kimia-fisika, dimana sebagai pengganti kompresoruntuk menaikan tekanan refrigerannya terdapatabsorber, pompa dan generator dengan fungsiyang sama.

2.3 Perhitungan Beban Pendingin

Menentukan panas yang diserap daritemperatur ambient PLTG TJ Priok hinggamencapai temperatur yang di inginkan sepertitemperatur standar menurut ISO yaitu 150C .


KE-03

Dimana ;= laju massa udara pada PLTG TJ Priok yaitu467 kg/s= Kalor jenis udara yaitu 1,006 kJ/kg.K= Perubahan temperatur ambient menjaditemperatur yang diinginkan

2.3.1. Beban pendingin dari temperatur

ambient ke temperatur 150C

Grafik 4.3 Data beban pendingin daritemperatur ambient hingga temperatur

150C

Grafik di atas menunjukan beban pendinginpada PLTG TJ Priok dari temperaturambient hingga temperatur standar ISO yaitu

150C tiap jamnya selama 24 jam tiap bulannya.Dari grafik diatas beban pendinginan yangakan digunakan berada di titik antarapukul 09.00–21.00. Hal ini karena, pada pukultersebut turbin gas bekerja dan membutuhkanpendinginan di bagian inlet kompresornya.

Grafik 4.4 Data beban pendingin rata-ratatiapjamnya dari temperatur ambient hingga

150CGrafik diatas menunjukkan beban pendinginan

rata- rata tiap jamnya. Untuk mendapatkantotal beban pendingin antara pukul 09.00 –21.00. Pertama kali kita harus mencari energilistrik yang dibutuhkan untuk sistempendingin tersebut dengan menggunakanintegral fungsi kuadrat grafik diatas.

Sistem pendingin ini nantinya akan bekerjaselama 24 jam, artinya selama 24 jampenuh sistem pendingin akan menghasilkanair pendingin yang akan disalurkan ke coolingcoil untuk mendinginkan udara masuk.

Maka beban pendinginan yang dibutuhkanuntuk mendinginkan temperatur udara ambientke temperatur udara sesuai standar ISO150C adalah 11034,9 kW.

2.3.2 Dimensi Thermal Energy Storageuntuk temperatur ambien 150C

Dari perhitungan sebelumnya, bebanpendinginan pada temperatur 150C diperolehsebesar 11034,9 kW. Pada PLTG TJ Priok satuthermal energy storage dipergunakan untukmendinginkan 2 turbin gas sehingga bebanpendingin totalnya adalah 22069,8 kW.Untuk mendapatkan udara masuk keKompresor dengan suhu 150 C, maka perluair pendingin dengan suhu minimum 80 C,dengan ∆T ideal/optimum sebesar 70 C.Sedangkan suhu air keluar dari cooling coil


KE-03

nominalnya adalah 200 C.

Jika kalor jenis air adalah 4,18 kJ/kg.K ,maka kebutuhan aliran air dari cooling coilsebesar :

• Tout (Chilled Water) = 8o C

• Tin (Chilled Water) = 20 0C

• Q = 22069,8 kw (2 turbin gas)

• Cp =4,18 kj/kg.K

Apabila proses pendinginan air pendinginberlangsung selama 24 jam maka volumetangki dari Thermal Energy Storage sebesar:

Untuk mendinginkan temperatur udara masukkompresor hingga mencapai 150Cdibutuhkan ukuran tangki Thermal EnergyStorage dengan volume sebesar 38014 m3.

2.4 Skematik Thermal Energy Storage

Perlu dijelaskan bahwa Thermal EnergyStorage memiliki 2 suhu air, yakni bagian atasbersuhu tinggi dan bagian bawah bersuhu lebihdingin. Hal tersebut terpisah karena airbersuhu lebih tinggi akan mempunyai densitylebih ringan, dibandingkan dengan air bersuhulebih dingin, sehingga air dengan beda suhuakan terpisah, seperti terlihat dalam gambardibawah ini.

Gambar 4.5Thermal energyStorage

2.5 Perhitungan COP SistemPendingin

Absorption Chiller

Dalam perhitungan siklus absorpsi ini,refrigeran dan absorber yang digunakanWater-

Lithium Bromide (LiBr-H O). Data-datayang

digunakan dalam perencanaan adalah :

1. Temperatur kondensasi : 60°C

2. Temperatur evaporasi : 1°C

3. Temperatur absorber : 30°C

4. Temperatur generator : 110°C

Dalam perhitungan selanjutnya penulis akanmemberikan komparasi perhitungan COPdengan membedakan variasi temperatur padakondenser, evaporator, absorber dan generatoruntuk mendapatkan nilai efisiensi turbin palingtinggi dalam siklus pendingin absorber chillerini


KE-03

4.6 Gambar Duhring Plot Diagram

4.7 Gambar Skematik Absorption chiller

Kondisi Termodinamika

• Titik 6, refrigeran dari kondenser dengan

kondisi saturated liquid

• Titik 8, refgiferan dari evaporator dengankondisi saturated vapour :

• konsentrasi LiBr yang terkandung pada uapair setelah keluar dari generator:

Perpotongan antara T6 dan T4 pada duhringdiagram

• konsentrasi LiBr yang terkandung pada uapair setelah keluar dari absorber:

Perpotongan antara T8 dan T2 pada

duhring diagram

• Titik 2 dan 1 terjadi isoenthalpi

• Titik 4 dan 3 terjadi isoenthalpi h4 = h3

• Titik 5, refrigeran panas dalam keadaan

jenuh dari generator :


KE-03

•. Beban Refrigerasi

•. Beban Kondenser

•. Beban Generator

•. Beban Absorber

•. Coefficient of Performance

•. Laju massa di evaporator

Laju massa yang berada pada evaporator

untuk penurunan temperatur hingga 150C.Laju massa pada evaporator dapat dicaridengan cara sebagai berikut:

•. Laju massa di Generator dan Absorber

Laju massa larutan LiBr lemah dan kuat yangterdapat pada generator dan absorber akanberbeda beda untuk penurunan temperatur

hingga 150C. Laju massa pada larutan LiBrlemah dan kuat dapat dicari dengan carasebagai berikut:

Dengan menggunakan simulasi perhitunganEES (Engineering Equation Solving) didapatlah laju massa aliran larutan LiBr lemahdan kuat sebagai berikut

2.5 Grafik perubahan daya dan EfisiensiThermal Siklus Dan Daya Output TurbinGas GT 13E


KE-03

Kedua grafik diatas merupakan karakteristikmesin turbin gas GT13EI terhadap perubahantemperatur ambient. Terlihat bahwa semakinrendah temperatur udara ambient yang masukkedalam kompresor maka semakin tinggiefisiensi thermal siklusnya, termasuk dayaoutput turbin akan meningkat.

Kenaikan Efisiensi Thermal Siklus dan DayaOutput Turbin Gas GT 13E

Kenaikan daya output dan efisiensi thermalsiklus PLTG oleh absorption chiller didapatdengan memasukkan variabel temperatureambient terhadap persamaan grafik spesifikasiturbin GT 13EI di atas.

2.6 Perhitungan pengurangan daya SteamTurbin

Pembangkit listrik yang berada padaPLTGU TJ Priok menggunakan prinsipcombine cycle, artinya selain menggunakanturbin gas untuk menghasilkan daya listrik,energi dari gas pembungan turbin digunakanuntuk enghasilkan steam oleh HRSG (HeatRecovery Steam Generator) sebagai suplaisteam untuk unit pembangkit listrik tenaga uap.Meskipun dengan adanya sistem pendinginabsorption chiller meningkatkan efisiensithermal dan daya turbin gas, namun padaturbin uap terjadi penurunan daya yangdihasilkan akibat pemakaian laju aliran massasteam sebagai pemanas pada bagian generatorchiller. Daya yang terpakai untuk sistemabsorption chiller

Dengan melihat perhitungan di atas, meskipundaya yang terpakai oleh sistem absorptionchiller sebesar 3,27 MW. Hal ini engakibatkandaya output yang dihasilkan oleh turbin uapberkurang. Akan tetapi, dengan adanya systempendingin pada absorption chiller ini dayautput yang dihasilkan oleh turbin gasmeningkat sebesar 11,87 MW.

3. Analisis FinansialAnalisis keuangan dihitung berdasarkan dataoperasi tahun 2014 , dimana beban tidak 100%, tetapi hanya 83 MW, sehingga kenaikandaya output turbin gas 11 MW dan kenaikanefisiensi termal 4 %. Denganmemperhitungkan biaya EPC, bunga pinjaman

No. URAIAN

TURBINE INLET

AIR

TEMPERATURE15 °C

1. Kenaikan

daya Output

15,14 MW

2. Kenaikan

Effisiensi

3,9 %


KE-03

Bank, diperoleh hasil perhitungan sebagaiberikut :

No. Description

TURBINE INLET AIR TEMPERATURE (°C)15 20 25

Scenario A Scenario B Scenario C1. Investment Cost (USD) 11.271.09

78.455.436

6.764.3492. Output Increment per MW 11% 8% 5%

3. Capacity Increment (MW) 11 8 54. Production Increment (kWh)

Follower Condition 116.013.072

84.373.143

52.733.215Peak Condition 40.150.00

029.200.000

18.250.000Start Stop Condition 57.816.00

042.048.000

26.280.000Financial Assumed

7. MARR 12% 12% 12%8. Economic Lifetime (years) 20 20 209. Tariff (IDR/kWh) 732 732 732

Analysis Result10. NPV

Follower Condition 24.295.977

17.320.925

9.332.386Peak Condition 817.21

8245.463

-1.339.778Start Stop Condition 6.284.64

44.221.773

1.145.41611. BCR

Follower Condition 2,06 2,02 1,79Peak Condition 1,05 1,02 0,84Start Stop Condition 1,37 1,34 1,13

12. FIRRFollower Condition 42,15

%40,71%

31,71%Peak Condition 13,16

%12,47%

8,66%Start Stop Condition 20,40

%19,56%

14,66%

4. KESIMPULAN

Dengan kapasitas pendinginan 11034,9 kWuntuk menurunkan temperatur ambient hingga15 0C dapat direncanakan sistem pendinginabsorption chiller dengan perencanaan sebagaiberikut:a. Temperatur Absorber = 30 0Cb. Temperatur Evaporator = 1 0Cc. Temperatur Generator = 110 0Cd. Temperatur Kondensor = 60 0CDari perencanaan tersebut didapatkan COPSebesar 0,7901.Perubahan Temperatur pada masing-masingkomponen kondenser, absorber, evaporator dangenerator berpengaruh pada perubahan COPThermal Energy Storage (TES) berfungsiuntuk menyimpan air pendingin yangdiproduksi 24 jam dalam tangki berisolasi.Kapasitas tangki TES sebesar 38014 3m dapatdigunakan sebagai penyuplai air pendinginuntuk 2 turbin gasUntuk penurunan temperatur ambient hingga15 0C terjadi kenaikan daya output turbin gassebesar 15,14 MW dan kenaikan efisiensithemal siklus sebesar 3,9 %.Sumber panas yang didapatkan generatorchiller berasal dari HRSG dengan laju aliran

massa steam sebesar 6,37 kg/s. Hal inimengakibatkan penurunan daya output turbinuap berkurang sebesar 3,27 MW. Hal inimengakibatkan daya output yang dihasilkanoleh turbin uap berkurang. Akan tetap, denganadanya sistem pendingin pada absorptionchiller ini daya output yang dihasilkan olehturbin gas meningkat sebesar 11,87 MW.

PLTGU Blok 1 - Priok umumnya operasiturbin gas tidak beban penuh, tetapi hanya 83MW pada suhu operasi 33 0C, apabila udaramasuk turbin gas diturunkan menjadi 15 0C,diperoleh kenaikan daya turbin gas 11 MW dankenaikan efisiensi 4 %, namun ada penurunandaya turbin uap sebesar 3.27 MW. Dari dataoperasi selama 2014 diperoleh produksi listrik2 GT sebesar 1,054,664,000 kWh, tarip listrikRp 732/kWh, rencana waktu operasional 20tahun, dan total investasi pemasangan sistimpendingin sebesar USD 11,271,097.-, makadiperoleh NPV: USD 24,295,977.- , BCR :2.06 , IRR : 42.15 % .Kenaikan efisiensi 4 % akan menghemat bahanbakar gas sebesar USD 7,825,619.- per tahundengan asumsi harga gas : USD 7.- / MMBtu.Melihat keuntungan dan penghematan yangdiperoleh, maka selayaknya pemasangan mesinpendingin untuk menurunkan suhu udaramasuk turbin gas layak dipertimbangkan.

REFERENSI

[1] Forest,M Rizki. (2014). Kajian AbsorptionChiller Untuk Menaikkan Kinerja PembangkitListrik Tenaga Panas Bumi (PLTP). Jakarta:Universitas Indonesia.[2] Zogg, Robert A.(2005). Guide toDeveloping Air-Cooled LiBr AbsorptionforCombined Heat and Power Applications : U.SDepartment of Energy[3] Sutriyanto, Himawan, Sarwono& Prawoto.(2011).Pengembangan Small Single-EffekAbsorption Chiller Dengan Daya Pendinginan10 kW. Tangerang : Puspitek[4] Angga, A Muhamad. (2008).PerencanaanMesin Pendingin Sistem Absorbsi (LithiumBromide) Dengan Memanfaatkan WasteEnergy Di PT. PJB Paiton Probolinggo.Surabaya:Institut Teknologi SepuluhNovember


KE-03

[5] Arora, C. P. 2000. Refrigeration and AirConditioning. Second Edition. New Delhi :Tata McGraw-Hill Publishing Company, Ltd.[6] Zinet, M., Rulliere, R., & Haberschill, P.(2012). A numerical model for the dynamicsimulation of a recirculation single-effectabsorption chiller. Energy Conversion andManagement, 51–63.

proceeding seminar nasional tahunan teknik mesin xiv ...eprints.ulm.ac.id/587/1/ke-03.pdf · turbin...

Documents