Spesifikasi Teknis Perencanaan Siklus Brayton

BAB IV ANALISA TERMODINAMIKA

4.1 Spesifikasi Teknis Perencanaan

Spsesifikasi teknis perencanan yang ditetapkan sesuai dengan data referensi dari buku yang disesuaikan data dari hasil survey studi di PLTGU Sicanang Belawan Sumatera Utara. Spesifikasi teknis dari sistem instalasi turbin gas sebagai berikut : Daya Keluaran Generator : 141,9 MW Bahan Bakar : Gas alam LNG Tipe kompresor : V 94.2 Putaran : 3000 rpm Temperatur masuk kompressor : 30ºC Temperatur masuk turbin : 970 ºC Tekanan Barometer : 1,013 bar Temperatur udara yang dihisap kompresor mempunyai pengaruh yang besar terhadap daya efektif yang dapat dihasilkan pembangkit, sebab laju aliran massa udara yang dihisap kompresor akan berubah sesuai dengan persamaan gas ideal, yaitu : m = PVRT, yaitu apabila temperatur masuk gas rendah maka massa aliran gas akan naik dan sebaliknya. Hal ini berarti bila temperatur atmosfer turun maka daya efektif sistem akan naik dan sebaliknya.

4.2 Siklus Brayton

Siklus brayton brayton cycle merupakan siklus yang ideal bagi sebuah turbin gas. Seperti yang diuraikan sebelumnya, bahwa siklus brayton adalah atas anggapan ideal atau estimasi teoritis sistem. Namun pada kenyataannya, dalam pemakaiannya terjadi perbedaan antara yang diharapkan dengan yang dapat terjadi pada kondisi sebenarnya. Universitas Sumatera Utara Gambar 4.1 Diagram T-s Siklus Brayton Siklus ideal brayton merupakan siklus turbin gas secara teoritis. Dimana, pada siklus turbin gas ini terjadi penyimpangan karena faktor rugi-rugi dalam proses. Maka proses yang terjadi setelah penyimpangan dalam proses, itulah yang kita kenal dengan siklus aktual, seperti yang terdapat pada garis aktual dalam gambar 4.1. Dapat kita perhatikan munculnya titik 2a dan 4a adalah kondisi yang benar- benar terjadi dilapangan. Untuk menganalisa siklus brayton ideal seperti terlihat pada gambar 4.1 maka diperlukan data-data yang menunjukkan kondisi awal dan kondisi akhir sistem. Harga perbandingan tekanan r p dihitung dengan r p optimum. Hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan kerja maksimum. r p = 1 2 min max k k T T …………… 4.1 Dimana rp 1 = Perbandingan tekanan optimum Tmax= T 3 = Temperatur masuk Turbin= 1243 K Tmin= T 1 = Temperatur masuk Kompressor = 303 K Universitas Sumatera Utara Maka, r p = 1 4 , 1 2 4 , 1 303 1243 r p = 11,82 1. Kerja kompresor ideal Kerja kompresor ideal dapat dicari dengan rumus: W k i = h 2 -h 1 kJkg Dengan menggunakan tabel udara untuk T 1 = 303 K pada lampiran 1, maka diperoleh : h 1 = 303,20 kJkg Pr 1 = 1,4355 Pr 2 = r p . 1,4355 = 11,82. 1,4355 = 16,967 h 2 dan T 2 dapat diketahui dengan cara interpolasi dari tabel pada lampiran 1, sehingga diperoleh : h 2 = 614,09 kJkg T 2 = 606,73 K Maka : W k ideal = h 2 -h 1 kJkg W k ideal = 614,09 - 303,20 kJkg = 310,89 kJkg 2. Panas ideal yang dibutuhkan Panas ideal yang disuplai oleh ruang bakar dapat dicari dengan rumus : Q in ideal = h 3 - h 2 kJkg ……….4.2 Dimana: T 3 = 970 o C = 1243 K, Universitas Sumatera Utara dengan cara interpolasi dapat diperoleh h 3 dan Pr 3 : h 3 = 1.328,47 kJkg Pr 3 = 275,075 Maka : Q in ideal = h 3 - h 2 kJkg = 1.328,47 - 614,09 kJkg = 714,38 kJkg 3. Kerja Turbin ideal Kerja ideal yang dihasilkan oleh turbin dapat dicari dengan rumus : W T ideal = h 3 - h 4 kJkg Dimana : Pr 4 = . Pr 3 = . 275,075 = 23,27 h 4 dapat dicari dengan cara interpolasi : h 4 = 671,59 kJkg Maka : W T ideal = 1.328,47 - 671,59 kJkg = 656,88 kJkg 4. Panas yang keluar Q out ideal = h 4 – h 1 kJkg …...…….4.3 = 671,59 - 303,20 kJkg = 368,39 kJkg Universitas Sumatera Utara 5. Efisiensi thermal ideal siklus η = ideal Qin Wnet x 100 ………..4.4 η = ideal Qin ideal W - ideal W K T x 100 η = 714,38 310,89 - 656,88 x 100 = 48,43 6. Back work ratio bwr Backwork ratio merupakan nilai persentase kerja spesifik turbin yang digunakan untuk menggerakkan kompressor. r bw = ideal W ideal W T K ………. 4.5 = 656,88 310,89 = 0,473 Siklus Brayton aktual berbeda dari siklus Brayton ideal pada beberapa hal. Seperti, hilangnya beberapa tekanan selama penambahan panas dan pengurangan panas tidak dapat dihindarkan. Yang lebih penting adalah kerja aktual masuk ke dalam kompresor akan meningkat dan kerja aktual turbin akan menurun. Penyimpangan aktual kerja kompresor dan turbin dari kerja siklus isentropis yang ideal dapat dihitung dengan memanfaatkan efisiensi adiabatik turbin dan kompresor berikut : ηK = 0,88 ηT = 0,85 Dimana titik 2a dan 4a pada gambar 4.1 adalah kerja aktual yang keluar kompresor dan turbin sedangkan titik 2 dan 4 adalah keadaan untuk kasus isentropik seperti di jelaskan pada gambar 4.1. Universitas Sumatera Utara 1. Kondisi udara masuk kompresor P 1 = 1,013 bar dan T 1 = 303 K k = Konstanta Adiabatik 1,4 untuk udara Untuk kondisi masuk kompresor pada keadaan stagnasi berdasarkan gambar 4.1 : T 01 = T 1 + cp C a . 2 2 ………. 4.6 Lit. 1 Hal. 81 Dimana : C a = Kec. aliran aksial fluida ms 150 ms … 4.7 lit.4 hal 376 cp = Panas jenis udara masuk kompresor cp = 950 + 0,21T 1 Jkg.K ……………..... 4.8 Lit.3 Hal.38 = 950 + 0,21 303 = 1013,63 Jkg.K Sehingga : T 01 = 303 + 63 , 1013 . 2 150 2 T 01 = 314,09 K Dengan mengunakan tabel pada lampiran 1, diperoleh : h 01 = 314,35 kJkg 2. Kondisi udara keluar kompresor Untuk kondisi keluar kompresor keadaan statis di peroleh : T 2 = 606,73 K P 2 = r p optimum . P 1 = 11,82. 1,013 bar = 11,97 bar Untuk kondisi keluar kompresor pada keadaan stagnasi berdasarkan pada gambar 4.1. T 02 = T2 + cp C a . 2 2 …………..... 4.9 Universitas Sumatera Utara Dimana : C a = Kecepatan aliran aksial fluida ms = 150 ms untuk industri lit.1 hal 376 cp = Panas jenis udara masuk kompresor cp = 950 + 0,21T 1 Jkg.K …………… 4.10 = 950 + 0,21 606,73 = 1.077,41Jkg.K Sehingga : T 02 = 606,73 + 1.077,41 . 2 150 2 T 02 = 617,17 K Dengan mengunakan tabel pada lampiran 1, diperoleh : h 02 = 625,08 kJkg Maka : P 02 = P 1 T 02 : T 1 1 k k P 02 = 1,013 1 4 , 1 4 , 1 P 02 = 12,21 bar 3. Kondisi gas melalui turbin Kondisi gas masuk turbin: T 3 = 970 C = 1243 K Kondisi gas keluar turbin T 4 = T 3 . k k 1 T 4 = 1243 . 33 , 1 1 33 , 1 T 4 = 673,49 K Universitas Sumatera Utara Perbandingan tekanan keluar turbin dengan tekanan udara atmosfir pada instalasi turbin gas siklus tertutup adalah 1,1+1,2… lit 7 hal 37 P 4 = 1,2 . P 1 P 4 = 1,2. 1,013 bar P 4 = 1,2156 bar Kerja aktual kompresor : aktual W K = k ideal W K η aktual W K = aktual W K = 353,28 kJkg Maka nilai aktual pada keluaran kompresor berdasarkan gambar 4.1 adalah : h 02 = h 01 +W k aktual kJkg h 02 = 314,35 +353,28kJkg h 02 = 667,63 kJkg Kerja aktual turbin : aktual W T = ideal W . T T η aktual W T =0,85 . 656,88 kJkg aktual W T = 558,35 kJkg Maka temperatur keluar ruang bakar aktual : T 03 = Pg T C aktual W + T 4 Dimana : C Pg = 950 + 0,21.T 3 C Pg = 950 + 0,21.1243 C Pg = 1.211,03 Jkg.K C Pg = 1,21103 kJkg.K Universitas Sumatera Utara Maka : T 03 = + 673,49 T 03 = 1.134,54 K Dengan mengunakan tabel udara pada lampiran 1, maka diperoleh : h 03 = 1.201,21 kJkg Tekanan aktual di ruang bakar: P 03 = P 02 1- rb P Δ Dimana : rb P Δ = kerugian tekanan pada ruang bakar 0,01 ÷ 0,02…. Lit [2], 2002 P 03 = 12,21 1 - 0,01 = 12,08 bar Temperatur aktual keluar turbin : h 04 = h 03 - aktual W T = 1.201,21 - 558,35 kJkg = 642,86 kJkg Dengan mengunakan tabel udara pada lampiran 1, maka diperoleh : T 04 = 633,99 K 4. Panas aktual yang masuk Qin aktual = h 03 –h 02 kJkg = 1.201,21 – 667,63 kJkg = 533,58 kJkg 5. Efisiensi thermal aktual siklus η = aktual Qin aktual W - aktual W K T x 100 η = x 100 = 38,43 Universitas Sumatera Utara 6. Back work ratio r bw Backwork ratio merupakan nilai persentase kerja spesifik turbin yang digunakan untuk menggerakkan kompressor. r bw = aktual W aktual W T K ……………. 4.11 = = 0,63

4.3 Analisa Pembakaran