Analisis Laju Kerusakan Exergy dan Efisiensi Exergy Komponen Mesin PLTGU

c Gas turbine Gas turbine adalah komponen yang berfungsi untuk memutar poros generator. Energi mekanis untuk memutar turbin diperoleh dari gas panas bertekanan tinggi yang dialirkan dari combustion chamber. Tekanan dan temperatur gas panas turun setelah memutar turbin. Gambar 2.9 Skematik Gas turbine Berdasarkan Gambar 2.9, poin 6 adalah udara panas bertekanan tinggi yang masuk ke gas turbine dan poin 7 adalah exhaust gas yang keluar dari gas turbine. Nilai laju kerusakan exergy pada gas turbine mesin PLTG dapat dihitung dengan persamaan 2.21. GT GT out GT x in GT x . , . , 2.21 Dengan in GT x E . , adalah nilai laju exergy gas hasil pembakaran yang masuk ke gas turbine, out GT x E . , adalah nilai laju exergy gas hasil pembakaran yang keluar dari gas turbine, GT W adalah daya yang dihasilkan oleh gas turbine, dan GT I adalah nilai laju kerusakan exergy pada gas turbine. Nilai efisiensi exergy gas turbine II.GT dapat dihitung dengan persamaan 2.22. in GT x out GT out GT x GT II E W E . , . . , , 2.22 Dengan out GT x E . , adalah nilai laju exergy exhaust gas keluar dari gas turbine, GT W adalah daya output gas turbine, dan in GT x E . , adalah laju exergy gas panas masuk ke gas turbine. d Saluran Exhaust Saluran Exhaust adalah komponen yang berfungsi sebagai sisi keluaran gas panas yang telah melewati gas turbine. Gas tersebut dikeluarkan ke lingkungan sekitar. Saluran exhaust terpasang sebuah komponen yang disebut diverter damper. Diverter damper berguna sebagai katup untuk mengalirkan exhaust gas dari PLTG ke HRSG. e HRSG HRSG atau Heat Recovery Steam Generator dapat dikatakan sebagai boiler pada PLTGU. Komponen ini adalah penghasil uap panas pada mesin PLTGU. Panas HRSG diperoleh dari panas sisa exhaust gas dari mesin PLTG. Sebuah HRSG menghasilkan 2 macam uap dengan tekanan yang berbeda yaitu uap kering bertekanan tinggi HP superheated vapor dan uap kering bertekanan rendah LP superheated vapor. Berdasarkan Gambar 2.10, poin 8 adalah exhaust gas masuk ke HRSG, poin 9 adalah air masuk ke HRSG melalui bagian Low Pressure, poin 10 adalah air keluar dari HRSG dari bagian Low Pressure LP, Poin 13 adalah air masuk ke HRSG dari bagian High Pressure HP, poin 14 adalah LP superheated vapor keluar dari HRSG,dan poin 15 adalah HP superheated vapor keluar dari HRSG. Gambar 2.10 Skematik HRSG Nilai laju kerusakan exergy pada HRSG mesin PLTU dapat dihitung dengan persamaan 2.23. HRSG out exh x out vap sp HP x out vap sp LP x out HRSG LP x in HRSG HP x in HRSG LP x in exh x I E E E E E E E . , . . . , . . . , . . , . . , . . , . , 2.23 Dengan in exh x E . , adalah nilai laju exergy exhaust gas yang masuk ke HRSG, in HRSG LP x . . , adalah nilai laju exergy air yang masuk ke LP HRSG, in HRSG HP x E . . , adalah nilai laju exergy air yang masuk ke HP HRSG, out HRSG LP x E . . , adalah nilai laju exergy air yang keluar dari LP HRSG, out vap sp LP x . . . , adalah nilai laju exergy LP superheated vapor yang keluar dari LP HRSG, out vap sp HP x E . . . , adalah nilai laju exergy HP superheated vapor yang keluar dari HP HRSG, out exh x E . , adalah nilai laju exergy exhaust gas yang keluar dari HRSG, HRSG I adalah nilai laju kerusakan exergy HRSG. Nilai efisiensi exergy HRSG II.HRSG dapat dihitung dengan persamaan 2.24. in HRSG HP in HRSG LP in exh x HRSG GT II E E E I . . . . . , , 1 2.24 Dengan HRSG adalah nilai laju kerusakan exergy HRSG, in exh x E . , adalah nilai laju exergy exhaust gas yang masuk ke HRSG, adalah nilai laju exergy air yang masuk ke LP HRSG, dan adalah laju exergy air yang masuk ke HP HRSG. f Steam turbine Steam Turbine adalah komponen yang berfungsi untuk memutar poros generator. Energi mekanik untuk memutar turbin tersebut berasal dari uap yang berasal dari HRSG yang dialirkan ke steam turbine. Tekan dan temperatur uap menurun setelah melewati steam turbine. Gambar 2.11 Skematik Steam turbine Berdasarkan Gambar 2.11, poin 17 adalah HP superheated vapor memasuki HP steam turbine, poin 16 adalah LP superheated vapor memasuki sudu terakhir dari HP steam turbine, poin 18 adalah LP superheated vapor keluar dari sudu terakhir dari HP steam turbine, poin 19 adalah LP superheated vapor memasuki LP steam turbine, dan poin 20 adalah uap keluar dari LP steam turbine. Nilai laju kerusakan exergy pada steam turbine mesin PLTU dapat dihitung dengan persamaan 2.25. 2.25 Dengan in ST LP x E . . , adalah nilai laju exergy LP superheated vapor yang masuk ke LP steam turbine, in ST HP x E . . , adalah nilai laju exergy HP superheated vapor yang masuk ke HP steam turbine, out ST LP x . . , adalah nilai laju exergy uap yang keluar dari LP steam turbine, out ST HP x E . . , adalah nilai laju exergy uap yang keluar dari HP steam turbine, ST W adalah nilai daya yang dihasilkan steam turbine, dan ST adalah nilai laju kerusakan exergy steam turbine. Nilai efisiensi exergy steam turbine II.ST dapat dihitung dengan persamaan 2.26. 2.26 Dengan ST adalah nilai laju kerusakan exergy pada steam turbine, adalah nilai laju exergy uap yang masuk ke HP steam turbine, dan adalah nilai laju exergy yang masuk ke LP steam turbine. g Condenser Condenser adalah komponen yang berfungsi untuk melepas kalor dan mengubah uap yang keluar dari turbin menjadi air sehingga dapat disirkulasikan ke HRSG. Gambar 2.12 Skematik Condenser Berdasarkan Gambar 2.12, poin 21 adalah uap memasuki condenser dan poin 22 adalah air keluar dari condenser. Nilai laju kerusakan exergy pada condenser mesin PLTU dapat dihitung dengan persamaan 2.27. 2.27 Dengan in Cond x . , adalah nilai laju exergy uap yang masuk ke condenser, out Cond x E . , adalah nilai laju exergy air yang keluar dari condenser, dan adalah nilai laju kerusakan exergy condenser. Nilai efisiensi exergy condenser II.Cond dapat dihitung dengan persamaan 2.28. in Cond x out Cond x Cond II . , , , , 2.28 Dengan out Cond x E , , adalah nilai laju exergy air yang keluar dari condenser dan in Cond x E . , adalah nilai laju exergi uap yang masuk ke condenser. h Pompa Pompa adalah komponen yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan air dan mengalirkan air ke dalam sistem. Ada 2 pompa dalam sistem PLTU, yaitu 1 Condensate Pump Condensate pump adalah pompa yang berfungsi mengalirkan dan meningkatkan tekanan air dari condenser ke HRSG. Gambar 2.13 Skematik Condensate pump Poin 23 adalah air memasuki condensate pump dan poin 24 adalah air keluar dari condensate pump. Nilai laju kerusakan exergy pada condensate pump mesin PLTGU dapat dihitung dengan persamaan 2.29. 2.29 Dengan in Pump Cond x E . . , adalah nilai laju exergy air yang masuk ke condensate pump, pump cond W . adalah nilai daya condensate pump, out Pump Cond x . . , adalah nilai laju exergy air yang keluar dari condensate pump, dan Pump Cond I . adalah nilai laju kerusakan exergy condensate pump. Nilai efisiensi exergy condensate pump II.HP.Trans.Pump dapat dihitung dengan persamaan 2.30. Pump Cond in Pump Cond x Pump Cond Pump Cond II W E I . . . . . . , 1 2.30 Dengan Pump Cond I . adalah nilai laju kerusakan exergy condensate pump, in Pump Cond x E . . . adalah nilai laju exergy air yang masuk ke condensate pump, dan Pump Cond. adalah daya condensate pump. 2 HP Tranfer Pump HP Transfer pump adalah pompa yang berfungsi mengalirkan air panas dari bagian LP HRSG menuju bagian dari HP HRSG pada tingkatan output High Pressure Vapor. Gambar 2.14 Skematik HP Transfer pump Berdasarkan Gambar 2.14, poin 11 adalah air memasuki HP transfer pump dan poin 12 adalah air keluar dari HP tranfer pump. Nilai laju kerusakan exergy pada HP transfer pump mesin PLTU dapat dihitung dengan persamaan 2.31. 2.31 Dengan in Pump Trans HP x . . . , adalah nilai laju exergy air yang masuk ke HP transfer pump, Pump Trans HP W . . adalah nilai daya HP transfer pump, adalah nilai laju exergy air yang keluar dari HP transfer pump, dan Pump Trans HP . . adalah nilai laju kerusakan exergy HP transfer pump. Nilai efisiensi exergy HP transfer pump II., HP.Trans.Pump dapat dihitung dengan persamaan 2.32 Pump Trans HP in Pump Trans HP x out Pump Trans HP x Pump Trans HP II W E E . . . . . . . . . . . . , 2.32 Dengan out Pump Trans HP x . . . . adalah nilai laju exergy air yang keluar dari HP transfer pump, in Pump Trans HP x . . . . adalah nilai laju exergy air yang masuk ke HP transfer pump, dan Pump Trans HP W . . adalah nilai daya HP transfer pump.

2.10. Efisiensi Exergy Mesin PLTGU

Mesin PLTGU dapat beroperasi dengan 2 cara, yaitu simple cycle dan combined cycle. Efisiensi exergy mesin PLTG cycle II , dan efisiensi exergy mesin PLTGU dapat dihitung dengan cara persamaan 2.33 dan 2.34. fuel x out GT cycle II E W , . , 2.33 2.34 Dengan out GT . adalah nilai daya output PLTG dan fuel x E , adalah nilai laju exergy bahan bakar, sedangkan out ST W . adalah nilai daya output PLTU.

2.10. Proses Pembakaran

Pembakaran dapat terjadi ketika bahan bakar dan udara bereaksi. Ada 2 macam proses pembakaran, yaitu pembakaran sempurna dan pembakaran tidak sempurna. Pembakaran sempurna dapat terjadi apabila seluruh bahan bakar bereaksi dengan udara dengan komposisi campuran stoikiometri. Pembakaran tidak sempurna terjadi apabila ada sejumlah bahan bakar yang tidak bereaksi dengan udara yang dicampurkan, hal tersebut dapat disebabkan proses pembakaran kekurangan jumlah udara sehingga produk pembakaran ada kandungan bahan bakarnya. Ada 3 jenis campuran bahan bakar dan udara dalam proses pembakaran yaitu rich mixture, stoichiometric mixture dan lean mixture. Rich mixture adalah proses pembakaran dengan jumlah udara yang kurang sehingga bahan bakar tidak terbakar seluruhnya. Stoichiometric mixture adalah proses pembakaran dengan jumlah udara yang tepat untuk membakar seluruh bahan bakar. Lean mixture adalah proses pembakaran dengan jumlah udara yang berlebih sehingga produk pembakaran terdapat kandungan oksigen. Combustion chamber adalah komponen mesin PLTG yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya proses pembakaran terjadi. Unit PLTG PT Indonesia Power UP Semarang menggunakan bahan bakar natural gas sebagai bahan bakar mesin PLTG. Karakteristik natural gas yang digunakan dijabarkan pada Tabel 2.1 dan Tabel 2.2. Tabel 2.1 Natural Gas Properties Temperature 29,2056 o C Pressure 24,8354 Bar Density 0,74399 kgm 3 Heating Value 40592.5 kJm 3 Proses pembakaran gas alam pada mesin PLTG diasumsikan sebagai pembakaran gas metana. Reaksi pembakaran gas metana dan udara dapat dituliskan pada persamaan 2.35. Udara diasumsikan terdiri dari 21 O 2 dan 79 N 2 . Produk pembakaran sempurna gas metana tidak menghasilkan oksigen dan metana. CH 4 + 2O 2 + 7.52N 2 CO 2 + 2H 2 O + 7.52N 2 2.35 Tabel 2.2 Natural Gas Composition Gas Components Mol Methane 93.7410 Nitrogen 0.4193 Carbon Dioxide 0.0011 Ethane 3.4591 Propane 1.2142 i-Butane 0.2487 n-Butane 0.3201 i-Pentane 0.1268 n-Pentane 0.1139 n-Hexane 0.3550 Water 0.0009 Hidrogen Sulfida 0.0000

2.11. Air Fuel Ratio AFR dan Fuel

Air Ratio FAR Air Fuel Ratio AFR adalah perbandingan jumlah udara terhadap jumlah bahan bakar dalam proses pembakaran. Jumlah udara dan jumlah bahan bakar yang dibandingkan adalah jumlah yang dicampurkan, meskipun campuran tersebut bereaksi atau tidak. Nilai Air Fuel Ratio dapat dihitung dengan persamaan 2.36. fuel air 2.36 Dengan AFR adalah nilai Air Fuel Ratio, adalah nilai laju aliran massa udara, dan fuel m adalah nilai laju aliran massa bahan bakar. Fuel Air Ratio FAR adalah perbandingan jumlah bahan bakar terhadap jumlah udara dalam proses pembakaran. Jumlah bahan bakar dan jumlah udara yang dibandingkan adalah jumlah yang dicampurkan, meskipun campuran tersebut bereaksi atau tidak. Nilai Fuel Air Ratio dapat dihitung dengan persamaan 2.37. air fuel m m FAR 2.37 Dengan FAR adalah nilai Fuel Air Ratio, fuel m adalah nilai laju aliran massa bahan bakar, dan adalah nilai laju aliran massa udara.

2.12. Air Fuel Equivalence Ratio dan Fuel

Air Equivalence Ratio Air Fuel Equivalence Ratio adalah rasio antara nilai Air Fuel Ratio aktual proses pembakaran terhadap Air Fuel Ratio stoichiometric proses pembakaran. Nilai Air Fuel Equivalence Ratio dapat di hitung dengan persamaan 2.38. stoic act AFR AFR 2.38 Dengan adalah nilai Air Fuel Equivalence Ratio, AFR act adalah nilai Air Fuel Ratio aktual, dan AFR stoic adalah nilai Air Fuel Ratio stoichiometric. Jenis campuran proses pembakaran dapat diketahui dengan menghitung nilai Air Fuel Equivalence Ratio. Nilai 1 merupakan rich mixture, nilai = 1 merupakan soichiometric mixture, dan nilai 1 merupakan lean mixture. Fuel Air Equivalence Ratio adalah rasio antara nilai Fuel Air Ratio aktual proses pembakaran terhadap Fuel Air Ratio stoichiometric proses pembakaran. Nilai Fuel Air Equivalence Ratio dapat dihitung dengan persamaan 2.39. stoic act FAR FAR 2.39 Dengan adalah nilai Fuel Air Equivalence Ratio, FAR act adalah nilai Fuel Air Ratio aktual, dan FAR stoic adalah nilai Fuel Air Ratio stoichiometric. Nilai 1 merupakan rich mixture, nilai = 1 merupakan soichiometric mixture, dan nilai 1 merupakan lean mixture.