studi kasus siklus kombinasi (siklus brayton dan rankine) menggunakan ees software dan aad-ins excel

Ali Hasimi Pane [email protected] Telp: 0813 7093 4621 1

STUDI KASUS: ANALISA THERMODINAMIKA SIKLUS KOMBINASI MENGGUNAKAN

ADD-INS EXCEL DAN ENGINEERING EQUATION SOLVER (EES) SOFTWARE Ali Hasimi Pane1

1Mahasiswa Magister Teknik Mesin USU-Medan, ALP Consultant Owner HP: 0813 7093 4621, Email: [email protected]

Abstrak Dalam studi thermodinamika, khususnya yang membahas tentang siklus pembangkit tenaga, baik itu tenaga uap maupun tenaga gas. Dimana dalam penyelesian umumnya adalah dianalisa berdasarkan tekanan dan temperatur operasi dengan menggunakan data-data dari tabel literatur thermodinamika untuk mengetahui sifat-sifat fluida kerjanya. Dalam tulisan ini, akan dibahas metode penyelesaian untuk siklus pembangkit tenaga kombinasi yaitu kombinasi siklus Brayton dan Rankine. Disini akan diperlihatan kefektifan tingkat hasil akhir perhitungan melalui 3 metode. Pertama, metode perhitungan dengan cara manual yang menggunakan data-data tabel literatur. Metode yang kedua dan ketiga adalah dengan melibatkan penggunaan perangkat lunak komputer yaitu add-ins excel dan EES software, yang dalam proses penyelesaiaannya menggunakan kode-kode software itu sendiri dan akan memberikan hasil secara otomatis. Akhirnya, dari hasil perhitungan yang akan diperoleh dari ke-3 metode tersebut adalah memiliki tingkat persentase error rata-ratanya sebesar 0,30632% atau dibawah 1%. Keyword: Siklus kombinasi, thermodinamika, add-ins excel, EES sofware I. Pendahuluan

Siklus kombinasi, dalam sistem pembangkit tenaga,

adalah gabungan antara dua sistem pembangkit tenaga,

seperti pembangkit tenaga uap dan pembangkit tenaga

gas (siklus Rankine dan Brayton). Penggabungan dari

dua siklus ini adalah bertujuan untuk meningkatkan

efisiensi thermal siklus dan dapat mengefisiensi

penggunaan bahan bakar, karena gas buang dari siklus

Brayton yang pada dasarnya masih bertemperatur tinggi

dimanfaatkan kembali untuk membantu proses

pembakaran dalam siklus Rankine.

Dalam proses analisa siklus kombinasi, tidak

terlepas dari peran analisa thermodinamika,

keseimbangan massa dan energi melalui sifat-sifat fluida

kerjanya yang dapat diperoleh berdasarkan tekanan dan

temperatur operasi siklus dan menggunakan tabel-tabel

thermodinamika. Dalam penulisan ini akan

diperkenalkan penggunaan perangkat lunak komputer

untuk menyelesaikan analisa perhitungan terhadap siklus

kombinasi tersebut yaitu add-ins excel dan EES software.

Disini akan mempermudahkan kita dengan mengabaikan

pembacaan sifat-sifat fluida melalui tabel

thermodinamika. Akan tetapi hasil akhir yang akan

diperoleh nantinya akan tetap diperbandingkan terhadap

hasil perhitungan manual. (yaitu menggunakan data dari

tabel thermodinamika/literatur).

II. Studi Literatur

Dalam proses analisa siklus kombinasi (gambar 1),

dengan tujuan untuk menentukan daya guna siklus

ditinjau dari analisi energi thermal, dan digunakan

persamaan-persamaan analisa thermodinamika. Siklus

kombinasi (seperti gambar 1), yang bagian atasnya

merupakan siklus Brayton dan bagian bawahnya adalah

siklus Rankine. Kombinasi kedua siklus ini secara luas

digunakan sebagai pembangkit tenaga.

2.1. Analisa Thermodinamika Siklus Brayton

Siklus Brayton ideal, yang terdiri dari empat

komponen yaitu kompresor, turbin gas, dan dua alat

penukar kalor untuk proses pemabakaran dan

pembuangan energi panas dari siklus.

Dengan mengidealisasi kerja kompresor dan turbin

gas adalah proses adiabatik, diasumsikan bahwa

pengaruh dari energi kinetik dan potensial yang terjadi


pada saat proses kerja berlangsung dapat diabaikan, maka

kerja kompresor ( CW ) dan turbin gas ( TW ) per satuan

laju aliran massa udara, seperti gambar 1.

12 hhm

WC

…1

dan

43 hhm

WT

…2

Dimana m adalah laju aliran massa udara dan h adalah

enthalpi udara (dari tabel udara). Karena daya yang di

gunakan sebagai kerja oleh kompresor dan daya yang

dihasilkan turbin tidak termanfaatkan 100% disebabkan

sifat ketakmampu balikannya (irreversibility), maka kerja

kompressor dan turbin aktual dapat ditentukan:

C

C

aktual

C mWm

W

/

…3

dan

TT

aktual

Tm

Wm

W

…4

Kemudian untuk proses energi panas masuk ( inQ ) ke

siklus dan pembuangan energi panas ( outQ ) dari siklus

yang berlangsung pada tekanan konstan, maka energi

panas masuk dan energi keluar per satuan laju aliran

massa udara, seperti gambar 1:

23 hhm

Qin

…5

dan

54 hhm

Qout

…6

2.2. Analisa Thermodinamika Siklus Rankine Ideal

Dengan mengidealisasi kerja pompa ( PW ), air

adalah sebagai fluida kerjanya yang tak mampu mampat,

sehingga kerja pompa dengan mengasumsikan bahwa

fluida kerja tanpa irreversible dapat ditentukan:

7

6dpv

mWP

…7

atau

)( 676 ppvm

WP

…9

Gambar 1. Siklus kombinasi (siklus Brayton dan Rankine)

Gambar 2. Diagram T-s siklus kombinasi

Dimana v adalah volume spesifik diperoleh dari tabel uap

air, kemudian dari persamaan keseimbangan massa dan

energi, maka kerja pompa dan turbin dapat ditentukan:

67 hh

mWP

…9

dan

98 hhm

WT

…10


Dimana h adalah enthalpi diperoleh dari tabel uap air,

karena sifat tak mampu balik sistem, kerja aktual pompa

dan turbin uap dapat ditentukan:

P

P

aktual

P mWm

W

/

…11

dan

T

T

aktual

Tm

Wm

W

…12

Sementara untuk energi panas yang diterima oleh

pembangkit uap berdasarkan gambar 1:

m

Qm

Q HRSGin

…13

Untuk kondensor pada kondisi steadi, dari persamaan

keseimbangan massa dan energi dapat ditentukan besar

laju energi panas yang dibuang:

69 hhm

Qout

…14

2.3. Analisa thermodinamika siklus kombinasi

Pada siklus kombinasi terdapat sebuah sistem

HRSG (heat recovery steam generation),yang berfungsi

sebagai alat penukar kalor, dimana energi panas gas

buangan turbin gas dimanfaatkan kembali untuk

membangkitkan uang dalam siklus Rankine. Dalam

kondisi operasi steadi, HRSG, dimana perpindahan panas

kelingkungan dan perubahan energi potensial dan kinetik

dapat diabaikan, maka dari persamaan keseimbangan

massa dan energi:

0)()( 7854 hhmhhm uapudara …15

atau perbandingan laju aliran massa uap dan udara dapat

ditentukan:

)()(

78

54hhhh

mm

udara

uap

…16

Sementara daya guna dari siklus kombinasi dapat

ditentukan:

netin

RankinenetBraytonnet

netin

siklusnetsiklusTh Q

WW

Q

W

,

,,

,

,,

...17

III. Data dan Metodologi

3.1. Data siklus kombinasi

Daya netto siklus kombinasi = 500 MW

Siklus Brayton

Rasio tekanan siklus Brayton = 18

Udara masuk kompressor = 30 oC, 1 atm

Temperatur gas pembakaran

masuk turbin = 1250 oC

Temperatur gas buang keluar HRSG = 200 oC

Efisiensi isentropis kompresor = 0,90

Efisiensi isentropis turbin = 0,80

Siklus Rankine

Uap air masuk turbin = 450 oC, 10 Mpa

Tekanan kondensor = 20 kPa

Efisiensi isentropis pompa = 0,95

Efisiensi isentropis turbin = 0,80

3.2. Metodologi

Metode penyelesaian adalah dilakukan dengan

persamaan-persamaan keseimbangan massa dan energi

thermodinamika. Setelah itu, dihitung secara manual, dan

hasil perhitungan akan dibandingkan dengan hasil yang

menggunakan add-in excel dan menggunakan perangkat

lunak komputer komersial yaitu engineering equation

solver (EES) software.

IV. Hasil dan Pembahasan

Dari hasil analisa perhitungan, dengan

menggunakan 3 metode, yaitu: metode pertama

dilakukan perhitungan secara manual dimana data sifat-

sifat thermodinamika diambil dari tabel literatur. Metode

kedua adalah dengan add-ins excel dan ketiga adalah

dengan EES software (langkah peyelesaian pada

lampiran). Perbandingan hasil akhir perhitungan dari

ketiga metode tersebut, seperti tabel 4.1.


Tabel 4.1. Perbandingan hasil perhitungan

V. Kesimpulan

Analisa hasil perhitungan dari ketiga metode tersebut,

dimana memiliki tingkat kemudahan dan kesulitan

masing-masing. Diperoleh hasil akhir bahwa, baik dari

hasil perhitungan manual maupun hasil perhitungan

dengan metode add-ins excel dan EES software, pada

tingkat perbandingan persentase error-nya adalah sebesar

0,30632% atau dibawah 1%.

VI. Referensi

[1]. Yunus A. Cengel, Michael A. Boles,

Thermodynamics: An Engineering Approach, Fifth

Edition, McGraw-Hill Companies, Inc.

[2]. Michael. Moran, Howard N . Shapiro, Daisie D.

Boettner, Margaret B. Bailey, Fundamentals of

Engineering Thermodynamics, Seventh Edition, John

Wiley & Sons, Inc, 2011.

[3]. EES manual handbook by F-Chart software

Biography

Ali Hasimi Pane,

Mahasiswa magister (S2)

Fakultas Teknik, Jurusan teknik

mesin USU–Medan, dengan

konsentrasi studi konversi

energi.

Sarjana Teknik (S1) selesai pada tahun 2004 dari Institut

Teknologi Medan (ITM), konsentrasi studi konversi

energi.


Lampiran: Metode penyelesaian Siklus Kombinasi

A. Hasil perhitungan manual menggunakan tabel thermodinamika literatur.

Parameter Hasil Keterangan

Daya netto Siklus Kombinasi 500000 kW

Kerja aktual kompressor 431.7064224 kJ/kg Kerja aktual turbin gas 725.1779544 kJ/kg Energi panas masuk pada ruang bakar 928.9575776 kJ/kg

Siklus Rankine

Kerja aktual pompa 10.68385263 kJ/kg Kerja aktual turbin uap 902.6707279 kJ/kg Energi panas keluar dari kondensor 2088.309272 kJ/kg

Siklus kombinasi

Rasio laju aliran massa udara dan uap air 0.155480873 - Laju aliran massa udara 1156.983101 kg/s Laju aliran uap air 179.8887421 kg/s Kerja netto siklus Brayton 339541.603 kW Kerja netto siklus Rankine 160458.397 kW Laju aliran energi panas masuk 1074788.219 kW Efisiensi thermal siklus kombinasi 46.52079278 %

B. Metode perhitungan dengan kode EES Software.

Gambar 3. Kode pemograman untuk siklus Brayton pada EES software


Gambar 4. Kode pemograman untuk siklus Brayton pada EES software

Gambar 5. Kode pemograman untuk analisa siklus Rankine pada EES software.


Gambar 6. Kode pemograman untuk analisa statistik siklus Rankine dan kombinasi pada EES software.

Gambar 7. Hasil perhitungan akhir dengan kode EES


C. Metode perhitungan dengan Add-ins Excel

Gambar 8. Spreadsheet untuk parameter siklus Brayton

8


Gambar 9. Spreadsheet untuk parameter siklus Rankine dan analisa statistik siklus kombinasi

studi kasus siklus kombinasi (siklus brayton dan rankine) menggunakan ees software dan aad-ins excel

Education