17
Tabel 5 Data fisik cerobong Keterangan
Cerobong Kapasitas MW
400 Waktu Operasi jam tahun
-1
7446 Efisiensi Produksi
34.8 Jenis Bahan Bakar
batubara Konsumsi ton jam
-1
170 Tinggi m
200 Diameter Dalam m
5.5 Suhu Gas
o
C 130
Kecepatan Gas Keluar m det
-1
20 digunakan pada penelitian ini adalah data
cerobong pada unit 1-4 Tabel 5.
3.2.1.2 Data Klimatologi
Simulasi penyebaran SO
2
yang dilakukan pada penelitian ini menggunakan
data klimatologi pada tanggal 5 Mei 2005 yang didapatkan dari Badan Meteorologi
Klimatologi dan Geofisika BMKG Serang, Banten. Data klimatologi tersebut antara lain:
• Suhu rata-rata harian: 28.2
o
C •
Kecepatan angin rata-rata : 2.5 m det
-1
• Arah angin terbanyak : 225º
Tanggal 5 Mei 2005 dipilih dengan pertimbangan bahwa pada tanggal tersebut
arah angin rata-rata berhembus menuju ke arah 225º barat daya. Arah tersebut kurang
lebih sama dengan lokasi pengukuran sampling polutan SO
2
yaitu perumahan Suralaya dan Lebak Gede yang letaknya di
sebelah barat daya PLTU Suralaya. Hal tersebut dimaksudkan agar pembandingan
data hasil simulasi dengan data hasil pengukuran lapang yang nantinya dilakukan
akan menjadi lebih realistis.
3.2.1.3 Data Validasi dan Pembanding
Data validasi dan pembanding yang digunakan pada penelitian ini terdiri dari dua
jenis data, yaitu data validasi untuk model geometri dan data pembanding untuk hasil
simulasi.
a. Data Validasi untuk Model Geometri
Validasi kondisi aliran di dalam model geometri dilakukan untuk melihat apakah
aliran tersebut sudah memenuhi kriteria mendekati kondisi sebenarnya. Selain itu,
validasi juga dilakukan dengan tujuan mengetahui apakah model yang telah dibuat
terdapat kesalahan yang nantinya dapat berdampak pada keakuratan hasil dari
komputasi yang akan dilakukan. Besaran yang digunakan sebagai
validasi adalah nilai drag coefficient C
D
pada bilangan Reynolds Re yang mendekati sama dengan penelitian sebelumnya.
Perhitungan bilangan Reynolds pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
= 1.225 × 3.7634 × 5.5
1.7894 × 10 = 1.4 × 10
b. Data Pembanding untuk Hasil Simulasi
Data pengukuran lapang yang digunakan sebagai pembanding adalah data
hasil pengukuran kualitas udara emisi SO
2
di cerobong PLTU Suralaya serta data hasil
pengukuran SO
2
di udara ambien yang dilakukan di sekitar daerah Suralaya yaitu
perumahan Suralaya dan Lebak Gede pada tahun 2005.
3.2.2 Alat
1. Seperangkat alat komputer
2. Microsoft Office 2007
3. GAMBIT versi 2.2.30
4. Fluent versi 6.3.26
3.3 Perhitungan Kadar Emisi SO
2
dari Cerobong
Perhitungan kadar emisi SO
2
Q dihitung menggunakan nilai faktor emisi
emission factor sesuai dengan standar EPA. Perhitungan faktor emisi untuk SO
2
adalah sebagai berikut Nevers 2000:
Faktor emisi = kadar sulfur × faktor pengali = 0.3 × 38
= 11.4 lb ton
-1
18
Nilai kadar sulfur tersebut didapat dari data pengukuran
lapang yang dilakukan oleh Ruhiyat 2009 yaitu sebesar 0.3 sedangkan
nilai faktor pengali merupakan nilai standar yang ditetapkan EPA untuk kandungan SO
2
dalam pembakaran batubara. Setelah mendapatkan nilai faktor
emisi, kadar emisi SO
2
dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini:
Q = faktor emisi × konsumsi batubara = 11.4 lb ton
-1
× 170 ton jam
-1
= 1938 lb jam
-1
= 0.24418 kg det
-1
3.4 Langkah Kerja Penelitian
Pada penelitian ini simulasi dilakukan dengan menggunakan dua perangkat lunak
untuk memecahkan permasalahan, yaitu perangkat lunak Gambit dan Fluent. Langkah
pengerjaan yang dilakukan adalah sebagai berikut :
1. Membuat geometri dan mesh
Pemodelan geometri pada simulasi ini berbentuk balok berdimensi x, y, z 4800 m,
250 m, 800 m dan sebuah cerobong dengan bentuk silinder di dalamnya dengan tinggi 200
m dan diameter 5.5 meter Gambar 8. Keterangan diagram kartesian pada hasil
simulasi menunjukkan bahwa arah x merupakan arah downwind searah aliran
angin dan arah y merupakan arah crosswind tegak lurus terhadap arah datang angin.
Jarak 4800 m ke arah x ditentukan berdasarkan adanya pemukiman pada jarak
2900 m. Selain itu, pada jarak 4800 m tersebut daerah outflow dianggap alirannya sudah
tidak terganggu undisturbed flow, demikian pula pada batasan wilayah ke arah y dan z
serta jarak antara
velocity inlet dengan cerobong. Selain itu, untuk batasan wilayah
800 m ke arah z, jarak tersebut dianggap cukup untuk melihat bentukan kepulan dan
sebaran SO
2
, begitu pula dengan batasan wilayah 250 m ke arah y dianggap sudah
dapat mewakili sebaran gas SO
2
. Setelah model geometri dengan batasan-batasan
tersebut telah dibuat, maka geometri tersebut harus diberikan grid meshing.
Pengaturan ukuran grid pada geometri dilakukan dengan mempertimbangkan
lamanya waktu komputasi sehingga ukuran grid yang halus hanya difokuskan pada daerah
yang vital saja yaitu daerah yang berada dekat dengan benda padat cerobong dan tanah
karena pada daerah tersebut banyak terjadi gangguan gradien tinggi. Semakin menjauhi
benda padat, ukuran grid akan semakin besar Blocken et al. 2006 dan Baik et al. 2003.
Gambar 8 Model geometri simulasi Selain itu, penghematan waktu
komputasi juga dilakukan dengan cara memberikan kondisi batas simetri pada daerah
centerface searah sumbu x, komputasi hanya dilakukan pada sebagian daerah model saja
sehingga dapat menghemat waktu sampai dengan 50 Lampiran 2a. Hal tersebut
dapat dilakukan karena angin yang mengalir di dalam model tersebut membentuk sudut
serang 0º atau paralel terhadap sumbu x sehingga fenomena yang terjadi di sebelah
kanan ataupun kiri simetri akan sama. Oleh karena itu, pada penelitian ini komputasi
hanya dilakukan pada daerah di sebelah kiri saja.
Sebelum geometri tersebut dimasukkan ke dalam Fluent, mesh yang telah dibuat harus
diperiksa terlebih dahulu. Salah satu tipe kualitas yang dapat dipakai sebagai rujukan
apakah mesh yang telah kita buat sudah baik atau tidak adalah dengan melihat nilai
equiangle skew yang nilainya tidak boleh melebihi dari 0.9 Tuakia 2008. Pada
penelitian ini, nilai equiangle skew dari mesh yang telah dibuat adalah sebesar 0.85 yang
artinya mesh yang telah dibuat sudah cukup baik dan dapat diproses selanjutnya di dalam
Fluent.
2. Memilih solver
Pada saat membuka Fluent, terdapat pilihan untuk menggunakan solver 2D atau
3D dengan presisi tunggal atau presisi ganda single precision atau double precision. Pada
penelitian ini digunakan Solver 3D dengan keakuratan double precision.
3. Mengimpor dan memeriksa grid
Grid model yang dibuat di dalam GAMBIT diimpor dalam bentuk mesh file
kemudian di dalam Fluent diperiksa kembali
19
apakah grid tersebut masih terdapat kesalahan atau tidak.
4. Memilih formulasi Solver
Fluent menyediakan tiga formulasi solver antara lain:
• Pressure Based
• Density Based implicit
• Density Based explisit
Pada penelitian ini formulasi solver yang digunakan adalah Pressure Based Solver
dengan rincian sebagai berikut:
• Solver
: pressure-based •
Space :
3D •
Velocity formulation
: absolute •
Formulation : implicit
• Time
: steady •
Gradient option
: green gauss cell based •
Porous formulation
: superficial velocity 5.
Menentukan model dan persamaan dasar Pada Fluent terdapat berbagai model
dan persamaan dasar yang dapat dipilih sesuai dengan kasus yang akan dianalisis. Pada
penelitian ini digunakan beberapa persamaan yaitu viskositas Spalart-Almarass, transpor
spesies tanpa reaksi kimia, dan perpindahan panas secara konveksi.
Persamaan turbulensi Spalart-Allmaras dipilih dengan pertimbangan bahwa
persamaan ini membutuhkan daya komputasi yang lebih kecil dibandingkan dengan model
turbulensi lainnya sehingga dapat menghemat waktu komputasi.
Rincian penentuan model dan persamaan dasar pada Fluent adalah sebagai
berikut: 1. Persamaan viskositas
• Model :
Spalart-Allmaras •
Options : vorticity based production
2. Persamaan transpor spesies •
Model : spesies transport
• Mixture Template
Mixture species : SO
2
dan udara Density
: incompressible ideal gas
Cp : mixing law
Thermal conductivity
: ideal gas mixing law Viscosity
: ideal gas mixing law Mass diffusivity : constant dilute appx
3. Menentukan kondisi operasi operating conditions
Kondisi operasi yang harus ditentukan antara lain:
• Tekanan : 1 atm
• Percepatan gravitasi : -9.8 m det
-2
• Suhu operasi : rata-rata suhu dari masing-
masing kestabilan atmosfer 4. Menentukan material
Fluida yang digunakan dalam penelitian ini adalah udara dan SO
2
pada kondisi STP dengan sifat fisik masing-masing
Tabel 6. 5. Menentukan kondisi batas boundary
condition Pada penelitian ini, diperlukan
informasi mengenai variabel pada domain geometri dan informasi tersebut harus
dimasukkan ke dalam kondisi batas Lampiran 3. Penentuan kondisi batas tersebut antara
lain :
Velocity Inlet
Adalah daerah inputan untuk data profil angin dan suhu. Pada kondisi batas ini
dimasukkan nilai-nilai sebagai berikut: •
Momentum Velocity
specification method
: components Reference frame : absolute
X-velocity ms : profil angin manual Y-velocity ms : 0
Z-velocity ms : 0
Tabel 6 Karakteristik udara dan SO
2
Keterangan SO
2
Udara Suhu
o
C 130 Bervariasi
Konduktivitas Panas W m
-1
K
-1
0.0104 0.025 Viskositas kg m
-1
s
-1
1.2 × 10
-5
1.7894 × 10
-5
Kerapatan kg m
-3
2.77 1.225
20
Turbulence v Specification
method : turbulent viscosity
ratio v Turbulent
viscosity ratio
: 0.1 konstan •
Termal Suhu
: profil suhu manual •
Spesies Fraksi massa
SO
2
: 0
Mass Flow Inlet
Adalah daerah tempat dimana keluarnya emisi SO
2
daerah muka cerobong bagian atas. Pada kondisi batas ini
dimasukkan nilai-nilai sebagai berikut: •
Momentum SO
2
flow rate : 0.24418 kg det
-1
Supersonic gauge pressure
: 0 Direction
specification method
: direction vector Reference Frame : absolute
Coordinate system v X-component of flow direction = 0
v Y-component of flow direction = 0 v Z-component of flow direction = 1
Turbulence v Specification
method : turbulent viscosity
ratio v Turbulent
viscosity ratio
: 0.1 konstan •
Termal Suhu
: 130 ºC •
Spesies Fraksi massa
SO
2
: 0.003
Outflow
Adalah batas terluar downwind. Pada penelitian ini terdapat dua outflow yang pada
masing-masing kondisi batas tersebut dimasukkan nilai flow rate weighting sebesar
0.5.
Wall
Adalah daerah batasan model yang berbentuk padat tanah dan cerobong. Nilai
pada kondisi batas ini dikondisikan default.
Symmetry
Adalah daerah yang alirannya terbebaskan tidak ada halangan. Pada
kondisi batas ini tidak perlu memasukkan nilai tertentu.
6. Solusi kontrol
Pada saat menentukan kriteria solusi kontrol dalam Fluent, ditentukan nilai-nilai
sebagai berikut: •
Pressure velocity coupling : SIMPLE
• Under Relaxation Factor URF
Pressure :
0.3 Density
: 1
Body force :
1 Momentum :
0.3 Modified turbulent viscosity :
0.8 Turbulent viscosity :
1 SO
2
: 1 Energi
: 1
• Diskretisasi
Pressure : second order upwind
Momentum : second order upwind Modified
turbulent viscosity
: second order upwind SO
2
: second order upwind Energi : second order upwind
7. Inisialisasi medan aliran
Sebelum memulai perhitungan atau menjalankan program, hal yang harus lebih
dahulu dilakukan adalah melakukan inisialisasi. Inisialisasi merupakan dugaan
awal pada kondisi batas mana kita akan memulai perhitungan.
8. Melakukan perhitungan atau iterasi
Pada proses perhitungan, terlebih dahulu yang dilakukan adalah menentukan
kriteria konvergensi, yaitu kesalahan atau perbedaan antara dugaan awal dan hasil akhir
yang dilakukan oleh Fluent pada masing- masing persamaan yang digunakan. Setelah
itu, barulah tentukan jumlah iterasi model yang akan dilakukan. Fluent akan berhenti
melakukan iterasi ketika telah konvergen atau ketika mencapai jumlah iterasi.
21
9. Output program
Hasil keluaran dari Fluent diantaranya dapat berupa kontur, vector, pathline dan
particle track. Pada penelitian ini penggambaran output akan ditampilkan dalam
bentuk kontur tiga dimensi. Kontur konsentrasi SO
2
hasil simulasi, diatur skalanya dengan konsentrasi maksimumnya
sebesar 365 µg m
-3
atau sama dengan 5.703125 × 10
-9
kmol m
-3
. Nilai tersebut merupakan nilai ambang batas polutan SO
2
berada di udara ambien. Konversi satuan konsentrasi SO
2
hasil simulasi Fluent ditunjukkan pada contoh
perhitungan sebagai berikut: 1
= × 64
× 10 ×
10 = 6.4 × 10
3.5 Asumsi Model
