Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

SKRIPSI

KETEL UAP

PERANCANGAN HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR (HRSG) KAPASITAS 209 TON UAP / JAM DENGAN MEMANFAATKAN GAS BUANG DARI LIMA UNIT

TURBIN GAS

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh:

PARLINDUNGAN SIMANJUNTAK NIM. 050421 008

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan penyertaanNya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini, yang merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

Adapun tugas sarjana ini diambil dari bidang Ketel Uap dengan judul “Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap/Jam dengan Memanfaatkan Gas Buang dari Lima Unit Turbin Gas.

Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini, penulis banyak sekali mendapat dukungan dan bantuan dari berbagai pihak, baik berupa saran dan nasehat maupun dukungan dalam bentuk moril dan materil. Maka pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Ibunda tercinta Teh Yuk Lian atas kasih sayang dan bimbingan yang diberikan kepada penulis dan juga mengenang Ayahanda T. Simanjuntak yang telah berjuang tanpa kenal lelah guna memberikan yang terbaik buat penulis,

2. Bapak Ir. Isril Amir, sebagai dosen pembimbing yang telah meluangkan waktu serta menyumbangkan ilmu dan nasehat kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 3. Bapak DR. Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin

FT-USU.

4. Bapak/Ibu dosen yang telah mendidik penulis selama kuliah di Departemen Teknik Mesin. 5. Bapak/Ibu staff pegawai Departemen Teknik Mesin.

6. Rekan-rekan mahasiswa di Teknik mesin, khususnya Ekstension stambuk 2005 yang telah banyak mendukung dan membantu penulis selama perkuliahan maupun dalam penyelesaian tugas sarjana ini.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Penulis menyadari bahwa tugas sarjana ini masih perlu disempurnakan, untuk itu penulis mengharapkan saran yang bersifat membangun dari pembaca guna perbaikan tugas sarjana ini selanjutnya. Terimakasih.

Medan, Oktober 2009 Penulis,

Parlindungan Simanjuntak

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ... i

DAFTAR NOTASI ... vi

DAFTAR GAMBAR ... vii

BAB I : PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Tujuan Penulisan ... 1

1.3. Batasan Masalah ... 2

1.4. Metode Penulisan ... 2

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian Siklus Gabung ... 3

2.1.1. Pemilihan Jenis Sistem Gabung ... 4

2.2. Siklus Turbin Gas ... 5

2.3. Heat Recovery Steam Generator ... 8

2.3.1. Komponen Utama HRSG ... 9

2.3.2. Peralatan Bantu HRSG ... 11

2.4. Alat Penukar Kalor ... 11

2.5. Proses Pembentukan Uap ... 13

2.6. Turbin Uap ... 15

BAB III : PERHITUNGAN TERMODINAMIKA 3.1. Spesifikasi Teknis Perancangan ... 16

3.2. Analisa Termodinamika Turbin Gas ... 17

3.2.1. Kompresor ... 18

3.2.2. Turbin Gas ... 20

3.2.3. Proses pada Ruang Bakar ... 22

3.2.4. Generator ... 23

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

3.3. Parameter Dasar Perencanaan ... 28

3.3.1. Perhitungan Uap ... 28

3.3.2. Kesetimbangan Energi ... 33

3.3.3. Superheater ... 34

3.3.4. Evaporator ... 35

3.3.5. Ekonomiser ... 35

3.3.6. Preheater ... 36

3.4. Spesifikasi HRSG yang Direncanakan ... 36

3.5. Daya yang Dibangkitkan HRSG ... 37

BAB IV : UKURAN – UKURAN UTAMA 4.1. Perhitungan Parameter Pipa Superheater ... 38

4.1.1. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) ... 41

4.1.2. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) ... 43

4.1.3. Pemilihan Pipa Superheater ... 50

4.1.4. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) ... 53

4.1.5. Luas Bidang Pindahan panas ... 53

4.2. Perhitungan Parameter Pipa Evaporator ... 54

4.2.1. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) ... 57

4.2.2. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) ... 59

4.2.3. Pemilihan Pipa Evaporator ... 64

4.2.4. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) ... 66

4.2.5. Luas Bidang Pindahan Panas ... 67

4.3. Perhitungan Parameter Pipa Ekonomiser ... 68

4.3.1. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) ... 70

4.3.2. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) ... 72

4.3.3. Pemilihan Pipa Ekonomiser ... 77

4.3.4. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) ... 79

4.3.5. Luas Bidang Pindahan Panas ... 80

4.4. Perhitungan Parameter Pipa Kondensat Preheater ... 81

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

4.4.2. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) ... 85

4.4.3. Pemilihan Jenis Pipa ... 90

4.4.4. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) ... 93

4.4.5. Luas Bidang Pindahan Panas ... 93

4.5. Effisiensi HRSG ... 94

BAB IV : KESIMPULAN 5.1. Kesimpulan ... 95

5.2. Saran ... 97

DAFTAR PUSTAKA ... x LAMPIRAN

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

DAFTAR NOTASI

Notasi Arti Satuan

A Luas permukaan perpindahan panas m2

Ac Luas penampang bagian dalam m2

Af Luas permukaan sirip m2

Ap Luas permukaan sirip primer m2

Ah Luas total permukaan yang menyerap panas m2

Aa Luas penampang aliran m2

Di Diameter dalam pipa m

Do Diameter luar pipa m

Dh Diameter hub m

h Entalphi kJ/kg

hi Koefisien konveksi bagian dalam pipa W/m2oC

ho Koefisien konveksi bagian luar pipa W/m2oC

k Konduktivitas thermal W/m2oC

1 Panjang sirip m

L Panjang pipa m

mg Laju aliran massa gas buang kg/s

mu Laju aliran massa uap kg/s

n Jumlah pipa dalam satu baris

N Jumlah lintasan

Nu Bilangan Nusselt

Nf Jumlah sirip per batang pipa

p Tekanan bar

P Daya nyata W

PG Daya semu turbin VA

PT nett Daya yang disuplai turbin ke generator W

Pr Bilangan Prandtl

Q Laju perpindahan panas kJ/s

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

QEVA Laju perpindahan panas yang diserap evaporator kJ/s

QECO Laju perpindahan panas yang diserap ekonomiser kJ/s

QEVA Laju perpindahan panas yang diserap evaporator kJ/s

QECO Laju perpindahan panas yang diserap ekonomiser kJ/s

QPRE Laju perpindahan panas yang diserap preheater kJ/s

QSH Laju perpindahan panas yang diserap superheater kJ/s

Re Bilangan Reynold

re Jari-jari luar pipa bersirip m

ro Jari-jari luar pipa m

S Tegangan tarik ijin Psia

SL Jarak longitudinal dua buah pipa m

ST Jarak tranversal dua buah pipa m

t Tebal pipa m

T Temperatur oC

Tg Temperatur gas buang oC

Tmin Beda suhu minimum oC

Tmax Beda suhu maximum

o

C

U Koefisien perpindahan panas total W/m2 oC

V Kecepatan m/s

Vmax Kecepatan maximum m/s

f Effisiensi sirip

O Effektifitas sirip

HRSG Effisiensi HRSG %

µ Viskositas dinamik fluida kg/m.s

Massa jenis fluida kg/ m3

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

DAFTAR GAMBAR

Gambar Nama Gambar Halaman

2.1. Pembangkit Daya Siklus Gabungan 4

2.2 Siklus Turbin Gas Terbuka 5

2.3. Diagram T - s 5

2.4. Diagram P – V 6

2.5. Skema Siklus Gabung 10

2.6. Penukar Kalor Pipa Ganda 11

2.7. Distribusi Temperatur pada Alat Penukar Kalor 12

2.8. Distribusi Temperatur pada Evaporator 13

2.9. Instalasi Siklus Gabung 14

2.10. Diagram T - s 14

3.1. Diagram Alir Turbin Gas 17

3.2. Diagram T – s 18

3.3. Daya pada Generator 24

3.4. Profil Diagram Temperatur Gas Buang dan Uap 29

3.5. Diagram T – s yang direncanakan 31

3.6. Diagram Analisa Kesetimbangan Energi 33

3.7. Siklus Gabung yang Direncanakan 37

4.1. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada Superheater 39

4.2. Sketsa Rancangan Pipa-pipa Superheater 41

4.3. Susunan pipa Selang-Seling Superheater 43

4.4. Penampang Pipa Bersirip 46

4.5. Profil Luas Penampang Area Superheater 48

4.6. Grafik Effisiensi Sirip 51

4.7. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada Evaporator 55

4.8. Evaporator yang direncanakan 57

4.9. Susunan pipa Selang – Seling Evaporator 59

4.10. Grafik Effisiensi Sirip 65

4.11. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada Ekonomiser 68

4.12. Susunan pipa Selang – Seling Ekonomiser 72

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

4.14 Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada Preheater 81

4.15 Susunan pipa Selang – Seling Preheater 85

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kebutuhan manusia akan energi semakin meningkat, sementara persediaan energi yang ada terbatas. Daerah Sumatera Utara pada khususnya yang saat ini mengalami kekurangan energi listrik, membutuhkan pembangkit energi listrik tambahan guna menutupi kekurangan energi listrik tersebut.

Pembangunan pembangkit-pembangkit listrik yang baru merupakan salah satu solusi guna mengatasi masalah tersebut. Dalam hal ini alternative lain dapat ditempuh dengan cara meningkatkan efesiensi suatu mesin sehingga dapat menghasilkan daya dengan pemakaian bahan bakar yang relatif lebih sedikit.

Dalam kaitannya dengan hal diatas, pada tugas sarjana ini direncanakan pemanfaatan gas buang dari lima unit turbin gas dengan daya masing-masing unit turbin gas tersebut adalah 14,466 MW, 14,466 MW,20,1 MW,20,1 MW dan 21,35 MW dengan menggunakan HRSG ( Heat Recovery steam Generator ).

Turbin gas dengan efesiensi dibawah ini 33 % menggunakan gas hasil pembakaran di ruang pembakaran sebagai fluida kerja. Sesudah diekspansikan didalam turbin gas untuk menghasilkan daya, gas asap meninggalkan turbin gas pada tekanan atmosfer, tetapi pada suhu tinggi, yaitu biasanya diatas 500oC. Energi panas yang terkandung dalam gas asap ini tidak dapat dimanfaatkan secara langsung, tetapi masih dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi untuk menghasilkan uap. Pada tekanan dan suhu yang cukup tinggi uap dapat digunakan sebagai fluida kerja pada siklus uap.

Dengan pemanfaatan sebagian energi terbuang dari turbin gas dan mengkorversikannya menjadi kerja ( turbin uap ) dengan menggunakan HRSG yang dikenal dengan siklus gabungan dapat meningkatkan efesiensi termis.

1.2. Tujuan Penulisan

Secara umum tujuan penulisan ini adalah merencanakan satu unit HRSG (Heat Recovery Steam Generator) memanfaatkan gas buang dari 5 (lima) unit gas turbin. HRSG yang direncanakan, adalah HRSG dengan system satu tekanan (Single Pressure), tanpa menggunakan bahan bakar tambahan (non supplementary firing) yang menghasilkan uap panas lanjut (Superheated Steam) yang akan digunakan untuk menggerakkan turbin uap.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Penulisan ini juga bertujuan untuk mengetahui performansi dari HRSG yang direncanakan serta menentukan dimensi komponen-komponen utama HRSG yang direncanakan.

1.3. Batasan Masalah

Dalam tugas ini dirancang sebuah HRSG ( Heat Recovery Steam Generator ) yang memanfaatkangas buang dari turbin gas dengan daya masing-masing 14,466 MW, 14,466 MW, 20,1 MW, 20,1 MW dan 21,35 MW, dimana uapnya mensuplai uap panas lanjut untuk sebuah turbin uap.

Adapun pembahasan meliputi : 1. Perhitungan Termodinamika.

2. Perhitungan daya yang dihasilkan turbin uap. 3. Perhitungan ukuran utama HRSG.

4. Gambar Penampang HRSG.

1.4. Metode Penulisan

Tugas sarjana ini terdiri dari lima bab yang masing - masing membahas topik yang saling berhubungan sesuai dengan alur rancangan.

Bab I : Berisi tentang latar belakang, tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan dan tujuan penulisan.

Bab II : Berisi tentang tinjauan pustaka, mengenai konsep perancangan PLTGU, pemilihan jenis sistem PLTGU, teori tentang HRSG, teori tentang proses pembentukan uap,

turbin uap.

Bab III : Berisi tentang pembahasan analisa termodinamika turbin gas , dan uap yang dihasilkan HRSG.

Bab IV : Membahas mengenai ukuran – ukuran utama HRSG dan penentuan materialnya. Bab V : Kesimpulan dan saran.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian Siklus Gabung

Siklus gabung adalah siklus yang memanfaatkan gas buang dari turbin gas ( PLTG ) untuk memanaskan air dalam ketel, dalam hal ini disebut HRSG ( Heat Recovery Steam Generator ), dimana uap yang dihasilkan HRSG tersebut digunakan untuk memutar turbin uap yang akan menggerakkan generator listrik.

Gas buang dari turbin gas keluar pada suhu diatas 500oC. Disebabkan tekanan rendah, suhu tinggi ( entalpi tinggi ), gas buang ini tidak dapat dimanfaatkan secara langsung menjadi fluida kerja. Regenerator dapat digunakan untuk memanfaatkan gas terbuang ini dengan cara memanaskan gas keluar dari kompresor sebelum masuk ke ruang bakar. Namun regenerator memiliki beberapa kelemahan.

Beberapa halangan penggunaan regenerator :

1. Regenerator mengakibatkan terjadinya penurunan tekanan antara outlet kompresor dan inlet ruang bakar yang menyebabkan naiknya kerja kompresor karena untuk tekanan inlet

turbin yang tertentu, tekanan outlet kompresor harus lebih tinggi.

2. Regenerator menimbulkan naiknya tekanan keluar turbin yang menyebakan turunnya

kerja turbin.

3. Regenerator sulit untuk melayani debit aliran yang tinggi.

Untuk menghindarkan hal-hal diatas maka untuk pemanfaatan panas terbuang dari turbin gas digunakan ketel uap dalam hal ini HRSG. Hal ini jelas dapat dipahami, dimana gas buang dari turbin gas masih mengandung energi yang relative tinggi, yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi bagi siklus uap. Oleh karena itu, kedua siklus dapat saling melengkapi secara termodinamika, dengan demikian dapat digabungkan menjadi satu siklus gabungan terdiri dari turbin gas dan turbin uap yang masing-masing menggerakkan generator listrik secara terpisah.

Gambar 2.1. berikut menampilkan skema pembangkit daya dengan menggunakan HRSG ( Heat Recovery Steam Regenerator).

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Gambar 2.1 Pembangkit Daya Siklus Gabungan

Pembangkit daya seperti gambar 2.1 diatas, disamping menghasilkan efisiensi yang tinggi dan keluaran daya yang lebih besar, siklus gabung bersifat fleksibel, mudah dinyalakan dengan beban tak penuh, cocok untuk operasi beban dasar dan mempunyai efisiensi yang tinggi dalam daerah beban yang luas. Kelemahannya berkaitan dengan kerumitannya, karena pada dasarnya instalasi ini menggabungkan dua teknologi didalam satu kompleks pembangkit daya.

Pada siklus gabung sederhana, turbin gas terdiri dari kompressor udara, ruang bakar, turbin gas. Dipadukan dengan mengirim gas buang turbin gas ke HRSG sebagai pembangkit uap. Pembangkit uap (satu tekanan) terdiri dari turbin uap, kondensor, pompa kondensat, tangki air umpan. HRSG terdiri dari kondensat preheater, ekonomiser, drum, evaporator dan superheater. Gas keluar dari HRSG menuju cerobong. Dalam hal ini turbin gas dan turbin uap, keduanya menggunakan generator listrik masing-masing.

2.1.1. PEMILIHAN JENIS SISTEM SIKLUS GABUNG

Dilihat dari sistem HRSG, siklus gabung dibagi atas : 1. Sistem satu tekanan ( Single Pressure System).

2. Sistem banyak tekanan ( Multi Pressure System ). Sedangkan bila dilihat dari input panasnya, dikenal :

1. Tanpa pembakaran tambahan ( Non Supplementary firing ). 2. Dengan pembakaran tambahan ( Supplementary firing ).

Keterangan :

P = Pompa

HRSG = Heat Recovery Steam Generator TU = Turbin Uap

C = Condensor K = Kompresor RB = Ruang Bakar TG = Turbin Gas

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Semua sistem tersebut mempunyai kelebihan dan kekurangan masing – masing, missal :

multy pressure system effesiensinya lebih tinggi dari single pressure system, namun lebih rumit.

Sedangkan supplementary firing dapat menghasilkan output yang lebih tinggi dari non firing, namun lebih boros.

2.2. Siklus Turbin Gas

Turbin gas bekerja dengan siklus Brayton. Siklus ideal ini terdiri dari dua proses isobar yang terjadi diruang bakar dan proses pembuangan gas bekas, serta dua proses isentropik yang terjadi pada kompressor dan ekspansi gas pada turbin.

Gambar 2.2. Siklus Turbin Gas Terbuka

T(oC)

3 Keterangan :

: Garis Teoritis

4’ : Garis Aktual 2’

2

4

1

s (kJ/kg.oC)

Gambar 2.3. Diagram T-s Siklus Brayton

KOMPRESOR

4

GAS BUANG

1

TURBIN GAS ~

2

3

KOMPRESSOR

GENERATOR BAHAN BAKAR

RUANG BAKAR

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

P

2 3

1 4

v Gambar 2.4. Diagram P – v

Jalannya proses dapat diterangkan sebagai berikut (Lit.7 hal 510) :

• 1-2 : Merupakan proses kompresi isentropik dalam kompressor, Kondisi 1 adalah udara atmosfer, sedangkan temperatur udara hasil kompresi T2 dapat diketahui dari hubungan :

T2 = T1.rp y

y 1−

………. (2.1)

Dimana :

rp = rasio tekanan P2/P1

= perbandingan panas spesifik pada tekanan konstan dan panas spesifik pada volume konstan, untuk udara, = 1,4

• 2-3 : Proses penambahan panas pada tekanan konstan dalam ruang bakar, panas yang ditambahkan pada ruang bakar adalah : Qin = Cp ( T3-T2 ) …………. (2.2).

• 3-4 : Proses ekspansi isentropik dalam turbin, temperatur gas keluaran T4 dihitung dengan hubungan :

T4 = T3

y y 1

p

r 1

−

   

………. (2.3)

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

konstan besarnya kalor yang dilepas dihitung dengan rumus : Qout = Cp ( T4 - T1 ) ………(2.4)

= h4 - h1

 Kerja netto turbin ( Wnet )

Kerja netto turbin merupakan kerja berguna yang dihasilkan turbin setelah kerja ekspansi dikurangi dengan kerja kompresi. Besar kerja netto turbin adalah :

Wnet = WT – WK

= ( h3 – h4 ) - ( h2 – h1 )... (Lit.12 hal 295)

 Daya netto turbin

Daya netto turbin merupakan daya keluran turbin ( daya yang dibutuhkan generator ) setelah memperhatikan kerugian-kerugian, maka daya netto turbin adalah :

Pnet = mg.WT mg.WK

. .

− ... (Lit.6 hal 768)

Perbandingan kompresi optimum dicari untuk menghasilkan efisiensi termal yang maksimum atau kerja netto yang maksimum. Perbandingan kompresi optimum dapat diketahui dengan menggunakan rumus (Lit.6 hal 768) :

rp max =

  

 ₋

  

 −

+ 1 1 1

1

1 3

1 3

R K

T T

T T

η η

………(2.5)

Perbandingan kompresi untuk menghasilkan kerja netto maksimum, maka besarnya kompresi optimum adalah (Lit.6 hal 768) :

rp opt =

) 1 ( 2

1

1

3 −

  

 y

K T

T T

η

η ………..…(2.6)

ketidakidealan yang terjadi menyebabkan adanya tekanan jatuh pada ruang bakar dan tekanan keluar turbin lebih besar dari tekanan atmosfer. Dengan kata lain, rasio tekanan melintas kompressor akan lebih besar daripada rasio tekanan melintas turbin. ( rpK > rpT

). ... (Lit.6 hal 768)

Kedua rasio tekanan optimum, yaitu untuk daya dan efesiensi tidak sama, sehingga dalam perancangan perlu dicari komprominya.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Kalor Spesifik adalah selisih antara kalor yang dimasukkan dengan kalor yang keluar, secara matematis dapat dituliskan :

qeff = qin - qout

= ( h3 – h2 ) - ( h4 – h1 ) ... (Lit.6 hal 768)

 Kerja Spesifik Siklus Bersih ( Wnet ).

Kerja Spesifik siklus bersih adalah selisih kerja yang dihasilkan turbin dengan kerja yang dibutuhkan kompresor tiap kg gas, yang secara matematis dapat dituliskan :

Wnet = WT – WK

= ( h3 – h4' ) - ( h2'– h1 )

= ( h3 – h2’ ) - ( h4’ – h1 ) ... (Lit.6 hal 767)

 Efisiensi Siklus

Merupakan perbandingan antara jumlah kalor yang efektif dengan kalor yang dimasukkan ke sistem yaitu :

sik =

in net

q W

= ( h3 – h2' ) - (h4' – h1 ) / ( h3 – h2' )

= 1-

  



−− 2

3 1 4

' '

h h

h h

... (Lit.12 hal 295)

2.3. Heat Recovery Steam Regenerator ( HRSG )

HRSG pada umumnya terdiri dari beberapa seri seksi-seksi superheater, Evaporator, ekonomiser dan ditambah dengan kondensat preheater.

2.3.1. Komponen Utama HRSG

Komponen utama HRSG terdiri dari beberapa buah alat penukar kalor, yang berhubungan satu sama lain, komponen tersebut adalah :

1. Kondensat Preheater

Merupakan tempat pemanasan awal kondensat sebelum masuk ke tangki air umpan, agar air umpan yang akan didihkan mengalami kenaikan suhu. Umumnya kondensat

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Preheater menempati posisi begian atas sekali daripada posisi pipa-pipa pemanas yang ada dan diikuti oleh pipa-pipa lainnya.

2. Ekonomiser

Adalah alat penukar kalor yang menaikkan suhu air yang keluar dari tangki air umpan yang tekanannya paling tinggi sampai suhu jenuh. Disini pemanasan dilakukan oleh gas yang keluar dari pemanas lanjut dan pipa penguap. Ekonomiser ini ada yang menggunakan pipa biasa dan pipa yang bersirip.

3. Evaporator

Air dari drum uap melalui ekonomiser ke evaporator. Pada evaporator dengan adanya pipa penguap akan terjadi pembentukan uap, dimana media pemanasan dilakukan oleh gas yang keluar dari pemanas lanjut (superheater). Adapun jenis evaporator yang umum digunakan, seperti :

Evaporator bersirkulasi bebas (alami) dan evaporator sirkulasi paksa. 4. Superheater

Alat penukar kalor ini digunakan untuk mengubah uap jenuh pada evaporator menjadi uap kering. Gas dari buangan turbin gas mula-mula dilewatkan pada superheater untuk memanaskan uap pada pipa-pipa superheater. Selanjutnya uap dari superheater ini akan langsung diteruskan ke turbin uap. Selain komponen-komponen utama diatas, HRSG juga dilengkapi dengan peralatan

Bantu yang fungsinya juga sangat menunjang kinerja HRSG, seperti drum uap HRSG dan cerobong ( stack ).

2.3.2. Peralatan Bantu HRSG

Selain komponen-komponen utama diatas HRSG juga dilengkapi dengan peralatan bantu yang fungsinya juga sangat menunjang kinerja HRSG. Adapun perlatan tersebut adalah :

o Drum HRSG

Tempat penampungan air dari ekonomiser yang kemudian disirkulasikan menuju evaporator dan menampung kembali uap yang dihasilkan dari evaporator tersebut.

o Cerobong ( Stack )

Cerobong pada HRSG terdiri dari horizontal difuser, diverter dan silencer. o Cerobong tambahan ( Bypass Stack )

Cerobong yang digunakan pada saat HRSG tidak beroperasi (Siklus terbuka) sehingga gas buang dari turbin gas keluar melalui cerobong ini sedangkan damper menutupi laluan gas buang menuju HRSG

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

2.4. Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor ( heat exchanger ) adalah sebuah pesawat tempat terjadinya perpindahan panas dari fluida yang temperaturnya tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah atau sebaliknya. Jenis penukar kalor yang banyak digunakan antara lain penukar kalor pipa ganda, shell and tube dan lain-lain.

Gambar 2.6. Penukar kalor Pipa Ganda

 Kalor yang dilepas fluida panas sebesar : qh = . ( 1 2)

.

h h h

h C t t

m −

 Kalor yang dilepas fluida dingin sebesar : qc = . ( 1 2)

.

c c c

c C t t

m −

Dimana kalor yang dilepas fluida panas sama dengan kalor yang diterima fluida dingin.  Subskrip h dan c masing-masing menandakan fluida panas dan dingin.

Qg = m ..cdT

.

Dimana c = panas spesifik

Distribusi temperatur yang terjadi selama perpindahan panas berlangsung dapat dilihat pada gambar 2.7.

Fluida panas

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

ToC ToC

( a ) ( b )

Gambar 2.7. Distribusi Temperatur pada Alat Penukar Kalor a. Perpindahan panas dengan arah arus searah. b. Perpindahan panas dengan arah berlawanan arah.

Laju pindahan panas dapat dinyatakan dengan beda temperatur rata-rata logaritmik LMTD : Q = U . A . ( LMTD )

Dimana :

Q : Laju perpindahan panas (J/s)

U : Koef. Perpindahan panas menyeluruh ( W/m2oC ) A : Luas permukaan penukar kalor (m2 )

LMTD : Beda temperatur logaritmik rata-rata ( oC ) LMTD =

(

)

) /(

) (

) (

2 2 1 1

2 2 1 1

c h c h

c h c h

t t t t In

t t t t

−

− − −

−

Pada proses penguapan evaporasi dan pengembunan ( kondensasi ) salah satu fluida tidak mengalami perubahan suhu, walaupun perpindahan panas telah berlangsung diantara kedua fluida. Hal ini disebabkan kalor yang diterima dan yang dilepas oleh fluida (kalor laten) tidak digunakan untuk menaikkan temperatur tetapi digunakan untuk mengubah fase fluida.

Th1

Tc1

Th2

Tc2

Th1

Tc2

L (m)

Th2

Tc1

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Distribusi temperatur evaporasi dapat dilihat pada gambar 2.8.

ToC ToC

( a ) ( b )

Gambar 2.8. Distribusi Temperatur pada Proses Evaporasi a. Distribusi temperatur aliran sejajar. b. Distribusi temperatur aliran silang.

Maka beda suhu rata-rata logaritmik adalah :

LMTD =

(

)

) /(

) (

) (

2 2 1 1

2 2 1 1

c h c h

c h c h

t t t t In

t t t t

−

− − −

−

2.5. Proses Pembentukan Uap

Gas buang dari siklus gas masuk ke HRSG untuk mengubah air menjadi uap kering yang akan digunakan untuk memutar sudu-sudu turbin uap hingga dapat memutar beban dalam hal ini generator listrik. Proses pembentukan uap, dimulai dari pemanasan air kondensat hingga pembentukan uap kering, seluruhnya memanfaatkan kandungan kalor dari gas buang tersebut.

Th1

Tc1

Th2

Tc2

Th1

Tc2

L (m)

Th2

Tc1

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Gambar 2.8. Instalasi Siklus Gabung

b 4

3

2

1

5

6 8

9 10

11

7 1

2

3 4 6

7

8 5 12

11

9 10

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

2.6. Turbin Uap

Beberapa parameter desain yang penting berkaitan dengan turbin uap adalah tekanan uap masuk turbin. Mengambil tekanan uap masuk lebih tinggi akan menguntungkan, karena ukuran sudu-sudu akan menjadi lebih kecil, namun tekanan yang terlalu tinggi akan menyebabkan efisiensi menurun.

Parameter lain yang penting dari turbin uap adalah tekanan kondensor, dalam hal ini tekanan turbin uap dan kondensor akan disesuaikan dengan HRSGnya.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

BAB III

PERHITUNGAN TERMODINAMIKA

3.1. SPESIFIKASI TEKNIS PERANCANGAN

Parameter rancangan mengenai turbin gas pada perencanaan ini mengacu dari hasil data survey yang dilakukan di PT. PLN (Persero) sector Belawan PLTG Paya Pasir.

Adapun spesifikasi tugas rancangan masing-masing unit turbin gas yang direncanakan adalah :  Unit I dan Unit II :

• Daya maksimum turbin gas : 14.466 kW

• Bahan Bakar : HSD (High Speed Diesel)

• Putaran Turbin : 4830 rpm

• Tipe turbin : Aksial

• Perbandingan tekanan pada kompressor : 7

• Temperatur masuk compressor : 30oC

• Tekanan barometer : 1,013 bar

• Effisiensi isentropik kompressor aksial : 0,86 (buku manual)

• Effisiensi isentropic turbin gas : 0,9 (buku manual)  Unit III dan Unit IV :

• Daya maksimum turbin gas : 20.100 kW

• Bahan Bakar : HSD (High Speed Diesel)

• Putaran Turbin : 5100 rpm

• Tipe turbin : Aksial

• Perbandingan tekanan pada kompressor : 7,15

• Temperatur masuk compressor : 30oC

• Tekanan barometer : 1,013 bar

• Effisiensi isentropik kompressor aksial : 0,86 (buku manual)

• Effisiensi isentropic turbin gas : 0,90 (buku manual)  Unit V :

• Daya maksimum turbin gas : 21.350 kW

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

• Putaran Turbin : 5100 rpm

• Tipe turbin : Aksial

• Perbandingan tekanan pada kompressor : 7,15

• Temperatur masuk compressor : 30oC

• Tekanan barometer : 1,013 bar

• Effisiensi isentropik kompressor aksial : 0,86 (buku manual)

• Effisiensi isentropic turbin gas : 0,90 (buku manual)

3.2. ANALISA TERMODINAMIKA TURBIN GAS

Siklus turbin gas yang digunakan adalah siklus Brayton sederhana tanpa reheating dan

heat exchanger seperti gambar dibawah ini :

Gambar 3.1. Diagram Alir Turbin Gas

4

GAS BUANG

1

KOMPRESSOR GENERATOR

TURBIN GAS

~

2

3 RUANG BAKAR

BAHAN BAKAR

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

T(oC)

3

2' 4'

2 4

1

s ( kJ / kg.K )

Gambar 2.3. Diagram T-s

Sistem turbin gas dianalisa dengan menganalisis titik-titik pada gambar, analisa ini didukung dengan menentukan beberapa harga yang ditentukan dengan mengacu pada effesiensi yang ada.

3.2.1. Kompresor

 Unit I dan Unit II

• Keadaan pada titik 1, dimana : T1 = 30oC

= 30 + 273,15 = 303,15 K P1 = 1,013 bar

Dari tabel udara diperoleh : h1 = 304,06 kJ/kg

• Keadaan pada titik 2, dimana : rpK = 7 (data dari survei )

P2 = P1 . rpK

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

P2 = 7,091 bar

T2 = T1 ( rpK ) y

y 1−

T2 = 303,15 ( 7 ) 1,4

1 4 ,

1 −

= 530,538 K

Sehingga harga h2 dapat diperoleh dari tabel udara ( lampiran III ) yakni sebesar 535,482

kJ/kg.

• Maka dapat dihitung kerja spesifik kompressor ( WK )

WK akt =

K

h h

η 1

2 −

=

86 , 0

/ 06 , 304 482

,

535 kJ − kJ kg

= 269,095 kJ / kg

• Kondisi aktual perencanaan ini ( 2' ) h2' = WK akt + h1

h2' = 269,095 kJ/kg + 304,06 kJ/kg

h2' = 573,155 kJ/kg

dari tabel udara dapat diperoleh : T2' = 293,62 oC

 Unit III, unit IV dan unit V  Keadaan titik 1

Perhitungan termodinamika untuk titik 1 sama untuk semua unit turbin gas, karena suhu udara masuk kompressor pada semua unit sama, yakni sebesar 30oC.

 Keadaan titik 2, dimana : rpK = 7,15

P2 = 1,013 x 7,15

P2 = 7,243 bar

 WK akt =

(

)

86 , 0

/ 06 , 304 834 ,

538 − kJ kg

= 272,99 kJ/kg

 h2' = 272,99 kJ/kg + 304,06 kJ/kg

= 577,05 kJ/kg T2' = 297,37oC

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

3.2.2 Turbin Gas

Analisa termodinamika pada turbin gas dalam hal ini dimaksudkan untuk menentukan temperatur keluar turbin. Berbagai pertimbangan mettalurgi membatasi temperatur pemasukan turbin bekerja pada sekitar 970oC (1243 K ) sampai dengan 1080 oC (1353 K ), walaupun ada beberapa turbin gas dengan pendinginan sudu yang dapat beroperasi sampai temperatur 1350oC (1623 K ). Hal ini untuk menghindari kerusakan sudu akibat kelebihan temperatur.

Dari hasil survei (ruang kontrol) pada PT. PLN (Persero) sektor Belawan PLTG Paya Pasir didapat bahwa temperatur gas buang turbin gas untuk unit I dan II adalah sebesar 575 oC dan untuk unit III, unit IV dan unit IV adalah 513 oC. Adanya kerugian tekanan dalam ruang bakar akan mempengaruhi unjuk kerjaturbin saat beroperasi.

Dari (literatur 4 hal 37) diketahui bahwa perbandingan antara tekanan keluar turbin dengan udara atmosfer pada instalasi turbin gas siklus terbuka adalah 1,1 ÷ 1,2. Dalam perhitungan termodinamika ini diasumsikan 1,1.

 Unit I dan Unit II

• Temperatur gas actual keluar turbin (T '4)

T '4 = 575 + 273,15

T '4 = 848,15 K

• Perbandingan antara tekanan keluar turbin dengan tekanan udara atmosfer pada instalasi turbin gas siklus terbuka diasumsikan 1,1, maka :

P4 = P1 . ( 1,1 )

= 1,013 . ( 1,1 ) P4 = 1,1143 bar

• Diperkirakan terjadi penurunan tekanan sebesar 0,02 pada ruang bakar (lit.3 hal.200) : P3 = P2 . ( 1 - Prb )

= 7,091 bar . ( 1 – 0,02 ) P3 = 6,95 bar

• Sehingga diperoleh harga rasio tekanan pada turbin : rpT =

4 3

p p

rpT = 6,236

1143 , 1

95 , 6

=

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

T3 =

                        − − − y y r P P T 1 3 4 3 1 1 η

………( lit.3 hal 201 )

T3 =

                        − − − 3492 , 1 1 3492 , 1 95 , 6 1143 , 1 1 9 , 0 1 15 , 848 = 1,3492 T3 = 1284,297 K

Dari tabel udara ( lampiran 3 ) diperoleh : h3 = 1385,056 kJ/kg

dan pada T4 = 848,15 K diperoleh

h4 = 876,235 kJ/kg

• Jadi diperoleh WT akt sebesar :

WT akt = h3 – h4

= 1281,244 kJ/kg – 807,842 kJ/kg WT akt = 473,403 kJ/kg

 Unit III, unit IV dan unit V

• Temperatur gas aktual keluar turbin ( T '4 )

T '4 = 513 + 273,15

T '4 = 786,15 K

• Perbandingan antara tekanan keluar turbin dengan tekanan udara atmosfer pada instalasi turbin gas siklus terbuka untuk unit semua unit sama sehingga :

P4 = 1,1143 bar

• Dengan perkiraan terjadinya penurunan tekanan sebesar 0,02 pada ruang bakar : P3 = 7,243 ( 1 – 0,02 )

P3 = 7,098 bar

• Harga rasio tekanan pada turbin untuk semua unit sama, karena harga P3 dan P4 untuk

semua unit sama . R PT = 6,37

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

T3 =

                        − − − 3553 , 1 1 3553 , 1 098 , 7 1143 , 1 1 9 , 0 1 15 , 786 = 1,355 T3 = 1202,245 K

Dari tabel udara diperoleh : h3 = 1281, 244 kJ/kg

dan pada T '4 = 786,15 K diperoleh :

h '4 = 807,842kJ/kg

• Jadi diperoleh WT akt sebesar :

WT akt = h3 – h4

= 1281,244 kJ/kg – 807,842 kJ/kg WT akt = 473,403 kJ/kg

3.2.3. Proses Pada Ruang Bakar.

Analisa termodinamika pada ruang bakar ini dipergunakan untuk menentukan perbandingan bahan bakar dengan udara actual ( FAR ) akt.

Perhitungan proses pada ruang bakar, diasumsikan effisiensi ruang bakar ( rb ) adalah 0,98 dan

kondisi masuk ruang bakar dianggap sama dengan kondisi keluar kompresor, maka panas yang disuplai adalah :

 Unit I dan Unit II

• q rb = h3 – h2

= 1385,056 kJ/kg – 573,155 kJ/kg

= 811, 9 kJ/kg

Dari data survei diperoleh LHV bahan bakar gas adalah 42.900 kJ/kg, maka perbandingan bahan bakar terhadap udara adalah :

q rb = LHV . ( FAR ) akt . rb

( FAR ) akt =

rb rb LHV q η = 98 , 0 . 42900 9 , 811

kg b.bakar / kg udara ( FAR ) akt = 0,0193 kg b.bakar / kg udara

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

• q rb = h3 – h2

= ( 1281,245 – 577045 )kJ / kg = 704,2 kJ / kg

Dari data survei diperoleh LHV bahan bakar gas adalah 42.900 kJ / kg, maka perbandingan bahan bakar terhadap udara adalah :

q rb = LHV . ( FAR ) akt . rb ( FAR ) akt =

rb rb

LHV q

η

=

98 , 0 . 42900

2 , 704

kg b.bakar / kg udara ( FAR ) akt = 0,01675 kg b.bakar / kg udara

Jadi perbandingan udara dengan bahan bakar adalah sebesar : ( AFR ) akt = 59,702 kg udara / kg b.bakar

3.2.4. Generator

Didalam suatu proses perubahan arus bolak balik ada 2 unsur yang terlibat pada proses konversi dasar, yaitu :

1. Daya nyata ( V I cos ) diukur dengan Watt, besaran inilah yang terlihat pada proses konversi dasar.

2. Daya reaktif ( V I cos ), tidak mempengaruhi proses konversi daya, tetapi suatu kebutuhan yang harus dilayani.

Gambar dibawah ini menunjukkan daya yang bekerja pada generator AC

Gambar 3.3. Daya Pada Generator

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Daya yang dibutuhkan generator adalah daya semu PG ( Volt Ampere ) dan daya

keluaran adalah P ( daya nyata ). P = PG . cos

PG =

ϕ

cos

P

= 85 , 0 14466

PG = 17018,824 kVA

Maka daya yang harus disuplai turbin ke generator adalah PT Nett :

PT Nett =

TR G

G

P

η η

Dimana :

G = effesiensi generator ( direncanakan 0,98 )

tr = effesiensi transmisi = 1

Transmisi yang digunakan untuk menyatukan poros turbin gas dengan poros generator adalah kopling tetap jenis kopling flens, diasumsikan tidak ada kehilangan kerja antara poros generator dengan poros turbin gas.

Maka : PT net =

98 , 0

824 , 17018

PT net = 17366,147 kW

 Unit III dan unit IV

Daya yang harus disuplai turbin ke generator adalah PT net :

PT Nett =

1 . 98 , 0 25125

PT Nett = 25637,755 kW

3.2.6 Laju Aliran Massa Udara Dengan Bahan Bakar.

 Unit I dan unit II

Dengan diperolehnya harga PT Nett = 17366,147 kW, maka untuk menghitung laju aliran

massa udara dan bahan bakar dihitung dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi daya instalasi.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

PT Nett = mgWT ma.WK

. . − = K T a f Tnett W W m m P −       + . .. / 1 · · Dimana : a f m m . .

/ = ( FAR ) akt

= 0,0193 kg b.bakar / kg udara Sehingga diperoleh :

a m . = kg kJ kJ s kg kW / 09 , 269 / 82 , 508 . / ) 0193 , 0 1 ( 147 , 17366 − +

= 69,589 kg / s

f

m

.

= ma

.

. ( FAR ) akt

= 69,589 kg/s . 0,0193 = 1,344 kg/s

g

m

.

= ma

.

+ mf

.

= 70,933 kg/s

Jadi laju aliran gas untuk unit I dan II adalah sebesar 2 x 70,933 kg/s = 141,866 kg/s.

 Unit III dan unit IV

Dengan diperolehnya harga PT net = 25637,755 kW, maka untuk menghitung laju aliran

massa udara dan bahan bakar dihitung dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi daya instalasi. a f m m . .

/ = ( FAR )akt =0,01675 kg b.bakar / kg udara

Maka diperoleh :

a m . = kg kJ kg kJ s kg kW / 99 , 273 / 42 , 473 . / ) 01675 , 0 1 ( 755 , 25637 − +

= 123,058 kg / s

f

m

.

= ma

.

. ( FAR )akt

= 123,058 kg / s . 0,01675 kg b.bakar / kg udara = 2,061 kg / s

g

m

.

= ma

.

+ mf

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

= (123,058 + 2,061) kg / s = 125,119 kg / s

Jadi laju aliran gas untuk unit III dan unit IV adalah sebesar 2 x 125,119 kg/s = 250,238 kg/s.

 Unit V

Dengan diperolehnya harga PT net = 27232,653 kW, maka untuk menghitung laju aliran

massa udara dn bahan bakar dihitung dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi daya instalasi.

a f m

m

. .

/ = ( FAR )akt = 0,01675 kg b.bakar / kg udara

Maka diperoleh: ma

.

=

kg kj kg

kJ s

kg

kW

/ 99 , 272 /

4 , 473 . / ) 01675 , 0 1 (

653 , 27232

− +

= 130,711 kg / s mf

.

= ma

.

. ( FAR )akt

= 130,711 kg / s . 0,01675 kg b.bakar / kg udara = 2,189 kg / s

mg

.

= ma

.

+ mf

.

= ( 130,711 + 2,189 ) kg / s mg

.

= 132,9 kg / s

Jadi laju aliran gas untuk unit V adalah sebesar 132,9 kg / s.

Total laju aliran gas dari kelima unit tersebut dapat diperoleh dengan menjumlahkan laju aliran gasnya yakni m g1 + m g2 + m g3 + m g4 + m g5 = 70,933kg/ s

+ 70,933 kg/s + 125,119 kg/s +125,119 kg/s + 132,9 kg/s = 525 kg/s.

Secara analisa termodinamika, maka daya untuk masing-masing instalasi komponen-komponen untuk setiap unit adalah sebagai berikut :

 Unit I dan Unit II 1 Daya kompresor

PK = ma

.

. Wk

= 69,589 kg/s . 269,095 kJ/kg = 18726,146 kW

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

1 Daya Turbin PT = mg

.

. WT

= 70,933 kg/s . 508,821 kJ/kg = 36092,29 kW

1 Panas yang disuplai ruang bakar QRB = mg

.

. qRB

= 70,933 kg/s . 811,9 kJ/kg = 57590,677 kW

 Unit III dan Unit IV 1. Daya kompresor

PK = 123,058 kg/s . 272,99 kJ/kg

= 33594,064 kW 2. Daya Turbin

PT = 132,9 kg/s . 473,40281 kJ/kg

= 62915,38813 kW

3. Panas yang disuplai ruang bakar QRB = 132,9 kg/s . 704,191 kJ/kg

= 93587,23 kW

3.3. Parameter Dasar Perencanaan

Dalam perencanaan pemanfaatan gas buang dari turbin gas ini direncanakan menggunakan satu jenis tingkat tekanan. Parameter temperatur dan tekanan uap yang akan dihasilkan harus sesuai dengan kondisi gas buang turbin gas yang ada dan penentuan turbin uap yang digunakan.

Perhitungan Uap

Temperatur uap yang akan dihasilkan harus sesuai dengan temperatur gas buang. Perbedaan temperatur yang terkecil antara 2 aliran gas dengan uap, yang biasa disebut dengan titik penyempitan ( pinch point ) a-x dan b-y ( gambar 3-4 ) minimum 20oC. Pada perancangan ini, diambil pinch point sebesar 35 oC.

Gas buang x

T

em

pe

ra

tur

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Laju Pindahan Panas (Q) MW

Gambar 3.4. Profil Diagram Temperatur Gas Buang dan Uap

Dengan menggabungkan gas buang dari turbin gas kelima unit tersebut maka suhu rata-rata diperoleh dengan hukum kesetimbangan energi :

Qdilepas = Qditerima

II g

m 1, .

. cPI,II

(

TI,II −Trata−rata

)

= mgIII,IV,V

.

. c_pIII,IV,V

(

T_rata−rata −T_III,IV,V

)

Dari tabel udara, diperoleh : cPI ,II = 1,1098 kJ/(kg.K)

cPIII,IV,V = 1,096 kJ/(kg.K)

141,866 · ( 575 – Trata-rata ) = 383,1388 · 1,096 · ( Trata-rata – 513 )

Trata-rata =

244 , 577

959 , 305887

= 529,91oC

Temperatur gas buang yang masuk ke superheater diperkirakan akan mengalami penurunan sebesar 2 % karena adanya kerugian yang terjadi pada saluran dari turbin gas ke superheater. Maka temperatur gas buang masuk superheater ( diperkirakan ) :

T = 529,91oC x 0,98 = 519,31 oC

Sesuai dengan hal diatas temperatur uap yang dihasilkan HRSG (Superheater) dengan pinchpoint 35 oC, adalah :

Tuap yang dihasilkan HRSG = 519,31oC - 35 oC

= 484,31 oC

Evaporator Air / Uap Superheater

Ekonomiser

Kondensat Preheater

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Dengan memperhitungkan adanya kehilangan panas sepanjang penyaluran uap dari HRSG hingga masuk turbin uap sebesar ( 0,97 ÷ 0,98 ), maka temperature uap masuk turbin adalah :

Tmasuk turbin uap = ( 0,97 ÷ 0,98 ) 484,31 oC = 470oC

Turbin uap yang digunakan adalah turbin uap dengan kondensasi, dimana hasil ekspansi turbin uap yang akan dikondensasikan pada kondensor. Besarnya tekanan uap hasil ekspansi masuk kondensor adalah dibawah tekanan atmosfer, yaitu berkisar pada ( 0,04 ÷ 0,1 ) bar. Dalam hal ini, media pendingin yang akan digunakan adalah air dengan suhu 30 oC. Temperatur uap hasil ekspansi turbin masuk kondensor direncanakan diatas 40 oC ( dari tabel dengan tekanan 7,5 kPa, Tsat = 40,29oC ). Parameter yang lain mengenai turbin uap, yaitu derajat kebasahan yang dapat

diterima sehubungan dengan terjadinya erosi pada sudu, adalah sekitar 12%, yang artinya kualitas uap masuk kondensor ( keluar turbin ) sebesar 88%, dengan mempertimbangkan keamanan sudu turbin pada perencanaan ini kualitas uap masuk kondensor diambil 90%.

Dari data diatas : Tmasuk turbin = 470 oC Pmasuk kondensor = 0,075 bar

X ( kualitas uap ) = 90 %

T = 85 %

maka dari diagram Mollier didapat Pmax (tekanan masuk turbin) sebesar 35,714 bar.

Dengan mempertimbangkan adanya penurunan tekanan sepanjang penyaluran uap mulai dari HRSG hingga masuk turbin sebesar 5 %, maka dalam perencanaan ini tekanan HRSG, yaitu :

PHRSG = 100 / 95 x 35,714 bar

= 37,594 bar

Sehingga dalam perancangan ini diperoleh :

1. Temperatur gas masuk superheater = 519,31 oC 2. Uap yang dihasilkan HRSG

a. Temperatur = 484,31 oC

b. Tekanan = 37,594 oC

3. Kondisi uap masuk turbin

a. Temperatur = 470 oC

b. Tekanan = 35,714 oC

4. Kondisi uap hasil expansi turbin masuk kondensor

a. Temperatur = 40,29 oC

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

T ( oC )

0.075 bar X = 0,9

s ( kJ / kg.K )

Gambar 3.5. Diagram T-s Yang Direncanakan

• Keadaan titik 1 : P1 = 0,075 bar

h1 = 168,79 kJ/kg

v1 = 0,001008 m3 /kg • Keadaan titik 2 :

WP = v1 . ( P2 – P1 )

= 0,001008 m3 /kg . ( 398,3 – 7,5 ) kPa = 0,394 kJ/kg

h2 = WP + h1

= 0,394 kJ/kg + 168,79 kJ/kg

= 169,184 kJ/kg

• Keadaan titik 3 : P3 = 3,983 bar

h3 = 604,045 kJ/kg

v3 = 0,001084 m3 /kg • Keadaan titik 4 :

WP = v3 . ( P4 – P3 )

= 0,001084 m3 /kg . ( 3759,4 – 398,3 ) kPa = 0,3643 kJ/kg

h4 = WP + h3

1 2

3 4

5 6

7

8 35,714 bar

3.983 bar

37,594 bar

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

= 3,643 kJ/kg + 604,045 kJ/kg

= 607,688 kJ/kg

• Keadaan titik 5 :

P5 = 37,594 bar

h5 = hf = 1069,236 kJ/kg • Keadaan titik 6 :

P6 = 37,594 bar

h6 = hg = 2802,36 kJ/kg • Keadaan titik 7 :

T7 = 484,31oC

P7 = 37,594 bar

h7 = 3412,11 kJ/kg • Keadaan titik 8 :

P8 = 35,714Mpa

T8 = 470 oC

h8 = 3381,77 kJ/kg • Keadaan titik 9a :

P9a = 0,075 bar

X ( kualitas uap ) = 0,9 h9a = 2334,19 kJ/kg • Keadaan titik 9s :

P9s = 0,075 bar

Dari diagram Mollier diperoleh : h9s = 2149,32 kJ/kg

3.3.2. Kesetimbangan Energi

Laju aliran massa uap dapat diperoleh dari hukum kesetimbangan kalor, dimana : Qgas = Quap

mu ( h7 - h5 ) = mg ( hb - ha )

` ToC

7 a

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Gambar 3.6. Diagram Analisa Kesetimbangan Energi

Dimana : a - b = aliran gas

a - 5 = pinch point antara suhu masuk evaporator dengan suhu gas. b - 7 = pinch point antara suhu masuk superheater dengan suhu gas.

5 – 7 = aliran uap

• Kondisi titik a :

Ta = T5 + 30oC

= ( 246,646 + 30 )oC = 276,646 oC Ta = 276,646 oC

ha = 555,507 kJ/kg • Kondisi titik b :

Tb = 519,31oC

hb = 814,78 kJ/kg

jadi laju aliran massa uap dapat diperoleh sebesar :

u

m

.

= mg

.

(hb - ha ) / (h7 - h6 )

=

kJkg kg kJ s

kg

) 24 , 1069 11 , 3412 (

/ ) 51 , 555 776 , 814 ( / 525

− −

u

m

.

= 58,098 kg/s

Jadi laju aliran massa uap yang dihasilkan adalah sebesar 58,098 kg/s. 5

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

3.3.3 Superheater

Uap panas lanjut yang dihasilkan superheater, yaitu pada tekanan 37,594 bar dan temperatur 484,31oC. Maka kalor yang diserap pada superheater adalah :

Quap = mu

.

· (h7 - h6 )

= 58,098 kg/s · ( 3412,11 kJ/kg – 2802,36 kJ/kg ) = 35425,45 kW

Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan (Qgas ) gas buang adalah sebesar 35425,45

kW.

Qgas = mg

.

(hin - hout )

35425,45 kW = 525 kg/s ( 814,776 kJ/kg - hout )

hout = 747,3 kJ/kg

dari tabel udara ( lampiran 3 ) diperoleh : Tout = 457,435 oC

Maka temperatur gas buang keluar superheater adalah 457,435 oC dan gas buang akan masuk ke evaporator.

3.3.4 Evaporator

Pada tekanan 37,594 bar, dari tabel sifat uap jenuh diperoleh temperatur air mendidih pada 246,646 oC. Air akan mengalami penguapan pada evaporator. Besarnya kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan air adalah :

Quap = mu

.

· (h6 - h5 )

= 58,098 kg/s · ( 2802,36 kJ/kg – 1069,236 kJ/kg ) = 100692,27 kW

Jadi, jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas ), adalah sebesar 100692,27 kW.

Qgas = mu

.

· (hin – hout )

100692,27 kW = 525 kg/s . (747,3 kJ/kg - hout

hout = 555,51 kJ/kg

dari tabel udara ( lampiran 3 ) diperoleh : Tout = 276,65 oC

Maka temperatur gas buang keluar evaporator adalah 276,65 oC dan gas buang akan masuk ekonomiser.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Air masuk ke ekonomiser dari tangki air umpan yang dipompakan hingga tekanan 37,594 bar, dengan temperatur143,47 oC yang akan dipanaskan hingga mencapai air jenuh dengan

suhu 246,646 oC. Kalor yang dibutuhkan yaitu :

Quap = mu

.

· (h5 – h4 )

= 58,098 kg/s · ( 1069,236 kJ/kg – 607,688 kJ/kg ) = 26815,328 kW

Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan ( Qgas ) gas buang adalah sebesar 26815,328

kW.

Qgas = mg

.

· (hin – hout )

26815,328kW = 525kg/s . ( 555,51 kJ/kg - hout)

hout = 504,43 kJ/kg

dari tabel udara ( lampiran 3 ) diperoleh : Tout = 227,3 oC

Maka temperatur gas buang keluar ekonomiser adalah 227,3 oC dan gas buang akan masuk kondensat preheater.

3.3.6. Preheater

Air masuk kondensat preheater merupakan air kondensat yang dipompakan hingga tekanan 3,983 bar dengan suhu 40,29 oC, dipanaskan hingga keadaan jenuh

( tangki air umpan ) dengan suhu 143,47 oC. Quap = mu

.

· (h3 – h2 )

= 58,098 kg/s . ( 604,05 kJ/kg – 169,184 kJ/kg ) = 25264,83 kW

Dengan demikian junlah kalor yang harus disediakan (Qgas) gas buang adalah sebesar 25264,83

kW.

Qgas = mg

.

· (hin – hout )

25264,83 kW = 525 kg/s . ( 504,43 kJ/kg - hout )

hout = 456,31 kJ/kg

dari tabel udara ( lampiran 3 ) diperoleh : Tout = 180,4 oC

Maka temperatur gas buang keluar preheater adalah 180,4 oC dan gas buang akan menuju cerobong.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

3.4. Spesifikasi HRSG yang direncanakan

Dari perhitungan dan beberapa penentuan yang menjadi pertimbangan dalam perancangan diambil spesifikasi, yaitu :

1. Jenis HRSG yang direncanakan adalah HRSG pipa air sirkulasi alami.

2. Sumber panas pada HRSG berasal dari panas gas buang dari lima unit turbin gas, dimana gas buang dari kelima unit turbin gas tersebut digabung ( dialirkan ) kedalam HRSG secara bersamaan.

a. Temperatur gas masuk superheater = 519,31oC b. Laju aliran massa gas buang masuk HRSG = 525 kg/s 3. Uap yang dihasilkan HRSG

a. Temperatur = 484,31oC

b. Tekanan = 37,594 bar

c. Laju aliran massa uap = 58,098 kg/s

4. Temperatur di tiap titik komponen HRSG :

• Temperatur gas buang masuk superheater = 519,31oC

• Temperatur gas buang masuk evaporator = 457,435oC

• Temperatur gas buang masuk ekonomiser = 276,65oC

• Temperatur gas buang masuk preheater = 227,3oC

• Temperatur gas buang keluar preheater dan masuk cerobong = 180,4oC

3.5. Daya yang dibangkitkan HRSG

Berdasarkan uap yang dihasilkan HRSG, maka daya yang dihasilkan turbin uap tersebut adalah :

PT = T _. mu

.

( h8 - h9s )

= 0,85.58,098 kg/s (3381,77 kJ/kg – 2149,32 kJ/kg ) = 60862,88 kW

= 60,86 MW

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

BAB IV

UKURAN -UKURAN UTAMA

4.1. Perhitungan Parameter Pipa Superheater

Superheater adalah pipa-pipa pemanas yang berfungsi untuk memanaskan uap yang berasal dari drum uap menjadi uap panas lanjut. Superheater ini terletak pada bagian bawah sekali dari susunan komponen alat penukar kalor yang ada pada HRSG ( Heat Recovery Steam

Generator ).

Sistem perpindahan panasnya adalah system konveksi berlawanan arah. Dimana uap mengalir dari atas ke bawah sementara gas buang mengalir dari bawah ke atas. Pada system perpindahan panas konveksi berlawanan arah luas perpindahan panas yang dibutuhkan akan lebih kecil bila dibandingkan dengan sistem konveksi satu arah, karena untuk kondisi laju aliran dan

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

temperatur yang sama besarnya harga beda suhu rata-rata logaritma ( LMTD ) pada sistem konveksi arus berlawanan arah adalah lebih besar daripada konveksi searah.

Besarnya luas permukaan perpindahan panas yang dibutuhkan diperoleh dari persamaan berikut :

A =

) .(LMTD

U Q

……… (Lit. 9 hal 490 ) Dimana :

A = Luas permukaan perpindahan kalor ( m2 ) Q = Besar perpindahan kalor ( J/s )

U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh ( W/m2 oC ) LMTD = Beda suhu rata-rata logaritma ( oC )

Besarnya harga LMTD system perpindahan panas pada superheater ini adalah seperti ditunjukkan pada gambar berikut :

T oC

Tg2

Tg1 T7

T6

519,311oC

484,31oC

457,435oC

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Gambar 4.1. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada Superheater

Dimana sebelumnya telah diperoleh :

T6 = Temperatur uap masuk superheater = 246,646 o

C T7 = Temperatur uap keluar superheater = 484,31

o

C Tg1 = Temperatur gas buang masuk superheater = 519,31

o

C Tg2 = Temperatur gas buang keluar superheater = 457,435

o

C Dimana :

LMTD =

1 2

1 2

T T In

T T

∆ ∆−∆ ∆

……….. (Lit 8 hal 510 )

dimana :

T1 = Th in - Tc out

= 519,31 oC = 35 oC

T2 = Th, out - Tc, in

= 457,435oC -246,646 oC = 210,787 oC

Maka harga diperoleh LMTD : LMTD =

C C In

C C

0 0

0 0

35 787 , 210

35 787

,

210 −

LMTD = 97,91 oC

Besarnya harga koefisien perpindahan perpindahan kalor menyeluruh (U) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

U 1

=

   

h c

A A h₁

1

+Ah . RW +

0 0.

1

h

η ……… (Lit.8 hal 505 )

dimana :

hi = Koefisien konveksi dalam pipa ( W/m2 oC )

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

menyerap kalor

Ah . RW = Tahanan konduksi pipa superheater (m2 oC/W )

ho = Koefisien konveksi gas buang ( W/m2 oC )

O = Efektivitas sirip bagian luar.

Pipa superheater dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja dengan diameter kecil. Diambil ukuran pipa dari ukuran standart pipa untuk baja schedule 40 dengan diameter nominal ( DN ) 1½” ( lampiran ukuran-ukuran pipa )bertujuan agar pembentukan uap dapat berlangsung lebih cepat.

Maka diambil ukuran-ukuran pipa sebagai berikut :

Do : Diameter luar = 1,9 in = 0,048 m

Di : Diameter dalam = 1,61 in = 0,0409 m t : Tebal pipa = 0,145 in = 0,003683 m

untuk menentukan banyaknya jumlah pipa yang dibutuhkan sesuai dengan laju aliran uap dan diameter pipa yang direncanakan, maka diambil suatu batasan sebagai berikut :

 Panjang pipa aktif yang berhubungan dengan pipa-pipa = 7 m (dengan memperhitungkan standart panjang pipa yang ada)

 Jarak antara dua buah pipa = Do = 0,048 m

 Panjang pipa perbatang = 14,64 m

Penentuan panjang pipa berdasarkan pemilihan dari panjang pipa yang sering digunakan dengan panjang 4,88 m ( lit. 5 hal 142 )

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Gambar 4.2 Sketsa Rancangan Pipa-pipa Superheater

Sehingga jumlah pipa-pipa superheater yang dibutuhkan adalah : n =

096 , 0

7 + 1

4.1.1 Koefisien Perpindahan panas di Dalam Pipa ( hi )

Koefisien perpindahan panas dalam pipa ( hi ) seharusnya ditentukan pada temperature

film. Dalam hal ini dapat juga ditentukan pada kondisi temperatur uap rata-rata superheater ( uT =

365,48 oC ) pada tekanan 37,594 bar. Dari tabel sifat-sifat air pada berbagai tekanan dan temperatur, ( Lampiran 12 ) setelah diinterpolasi diperoleh data-data sebagai berikut :

= 3,236 . 10−4kg/m.s k = 0,6767 W/m2oC

= 1/v = 13,57 kg/m3 Pr = 2,0105

Cp = 4,2086 kJ/kg.K

 Kecepatan aliran uap pada superheater dihitung sebagai berikut :

Vu =

1 .

. .

A n

V mu

……… (Lit 3 hal 339 ) dimana :

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

u

m

.

= laju aliran uap = 58,098 kg/s

n = jumlah pipa superheater = 74 batang

v = Volume jenis uap, dihitung atas dasaer volume jenis uap rata-rata pada superheater dengan tekanan 37,594 bar. v =

2

7

6 v

v +

; dimana : v6 = 0,053287971 m3/kg

v7 = 0,090431878 m3/kg

v =

2 090431878 , 0 05328791 , 0 +

= 0,072 m3/kg

Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar :

Vu = ₂

) 0409 , 0 ( 4 / . 74 072 , 0 . 0986 , 58 π

= 42,955 m/s

Diperoleh kecepatan uap dalam pipa sebesar 42,955 m/s masih dalam batas kecepatan uap maksimum yang diijinkan untuk uap saturasi yaitu sebesar 50 m/s ( lit. MJ. Djokostyardjo “Pembahasan lebih lanjut tentang ketel uap”, 1990, hal 186 )

 Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan Reynold, dihitung dari persamaan berikut :

Re = µ ρ.V .u Di

……… (Lit.8 hal 343 )

Dimana : = Massa jenis uap pada superheater ( kg/ m3) = Viskositas dinamik uap ( kg/m.s )

Di = Diameter dalam ( m )

Maka : Re =

µ ρ.Vu.Di

= ₅

10 . 236 , 3 0409 , 0 . 955 , 42 . 57 , 13 − = 73653,096

 Aliran yang terjadi adalah turbulen, Re > 4000 (Lit 11 hal 131 ), maka hi

dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : hi =

i u D K N .

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Nu = 0,023

4 , 0 8 , 0

. _r

e P

R

= 0,023 . ( 73653,096 )0,8 . ( 2,0105 )0,4 = 238,125

Dengan :

k = 0,692 W/m oC Di = 0,0409 m

Maka :

hi =

0409 , 0

692 , 0 . 125 , 238

= 3436,134 W/m2 oC

4.1.2. Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa (hi )

Susunan pipa yang dirancang adalah susunan selang-seling. Seperti pada gambar dibawah ini :

Gambar 4.3 Susunan Pipa Selang-Seling Dimana :

ST = Jarak transversal ( transverse pitch ) ( m )

SL = Jarak longitudinal ( longitudinal pitch ) ( m )

SD = Jarak diagonal ( m )

A1 = Jarak antara 2 buah pipa secara transversal ( m )

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Direncanakan ST = SL = 2 . Do = 0,096 m

Dalam perencanaan ini susunan pipa direncanakan selang-seling. Untuk mendapatkan besarnya koefisien konveksi terlebih dahulu ditentukan sifat-sifat gas buang. Sifat-sifat gas buang seharusnya dievaluasi pada temperatur film, dapat juga dievaluasi pada temperatur rata-rata ( pendekatan ) gas buang, yaitu :

g T = 2 435 , 457 31 , 519 +

= 488,37 oC = 761,52 K

Dari tabel sifat-sifat udara ( lampiran 11 ) diperoleh : k = 0,0557 W/m.K

= 3,514.10−5kg/m.s = 0,464 kg/m3 Pr = 0,687

Cp = 1,088 kJ/kg. K

 Maka dapat dihitung kecepatan gas maksimum ( Vg maks ) pada rangkaian pipa, dimana

dari gambar dibawah ini, maka kecepatan maksimum dapat terjadi pada A1 dan A2 (

gambar 4.3 )

o Apabila pada A1, maka :

Vgmaks =

(

)

g

o T T V D S S .

− ……….( Lit. 8 hal 344 )

o Apabila pada A2, maka :

Vgmaks =

(

)

g

o D T V D S S .

2 − ………...( Llit. 8 hal 344 )

o Vgmaks terjadi pada A2 apabila :

SD < 2

o

T D

S +

SD =

5 , 0 2 2

2 _

           + T L S S < 2 o T D S −

……….( Lit.8, hal 344 )

5 , 0 2 2 2 096 , 0 096 ,

0 _

            + < 2 048 , 0 096 , 0 −

0,107912636 > 0,07239 Maka dapat disimpulkan Vgmaks terjadi pada A1 :

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Vgmaks =

(

)

g

o T

T

V D S

S

.

− ……….( Lit.8, hal 344 )

dimana :

Vg = Kecepatan gas masuk pada rangkuman pipa diukur pada temperatur

Gas buang masuk rangkuman pipa

Vg =

L n S m

T g

g

. . .

.

ρ

dimana :

g

m

.

: Laju aliran gas buang = 525 kg/s

g : Massa jenis gas buang pada T gas buang masuk

= 519,31 oC adalah sebesar 0,445083 kg/m3 ST : Jarak dua buah pipa = 0,096 m

n : Banyak pipa 1 baris = 74 batang L : panjang pipa 1 batang = 14,64 m Maka :

Vg =

64 , 14 . 74 . 096 , 0 . 445 , 0

525

= 11,281 m/s

Sehingga Bilangan Reynold maksimum untuk gas buang adalah : Re =

µ ρ.Vgmaks.Dh

Dimana :

Re : Bilangan Reynold

: Massa jenis gas pada suhu rata-rata ( kg/ m3 ) Dh : Diameter hidrolik pipa ( m )

: Viskositas dinamik pada suhu rata-rata (kg/m.s ) Dimana :

Dh = 1f . 4 .

h a

A A

……….( Lit 10 hal 8 ) Dimana :

1f : Jarak dua buah pipa = 0,084 m

Aa : Luas penampang aliran ( m2 )

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Dan :

ho =

h u

D k N .

……….( Lit 8 hal 334 ) Dimana :

Nu = Bilangan Nusselt

K = Konduktivitas gas buang ( W/moC )

Pada perancangan pipa-pipa superheater ini, dirancang menggunakan sirip untuk menyediakan luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan, ukuran sirip terlihat pada gambar di bawah ini.

ri ro re

Gambar 4.4. Penampang Pipa Bersirip Dimana :

ri : Jari-jari dalam pipa = 0,02

ro : Jari-jari luar pipa = 0,024

1 : Panjang sirip = 0,009 m re : Jari-jari pipa bersirip = 0,03

: Tebal sirip = 0,00046 m Nf : Jumlah sirip = 300 sirip/m

Penentuan panjang, tebal dan jumlah sirip diperoleh dari lampiran II, maka dapat dicari : o Luas permukaan sirip ( Af )

Af =

(

)

e f

o e

N D D

D

. . . 4

2 2 2

    

  

+

− _{π δ}

π

dimana :

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Af : Luas permukaan sirip ( m2 )

De : Diameter sirip = 0,06 m

Do : Diameter luar pipa = 0,048 m

: Tebal sirip = 0,00046 m

Nf :Jumlah sirip dalam panjang pipa

Maka diperoleh luas permukaan sirip sebesar :

Af =

(

)

.0,06.0,00046 .300

4

048 , 0 06 , 0 . .

2 2 2

   



 π − _+π

= 1,00012 m2 dalam 1 meter panjang pipa

o Luas permukaan primer (Ap )

Ap =



π.Do

(

L−δ.Nf

)



Nt

Dimana : Nt : 1, untuk 1 batang pipa.

(

)

[

.0,0481−0,00046.300

]

.1

= π

P

A

= 0,1307 m2 untuk 1 meter panjang pipa

o Luas total permukaan pipa yang menyerap panas untuk 1 meter panjang pipa (Ah ) dan Ah

= Af + Ap

Dimana :

Ah : luas total permukaan pipa yang menyerap panas ( m2 )

Af : Luas permukaan sirip ( m2 )

Ap : Luas primer (m2 )

Maka luas total permukaan pipa yang menyerap panas diperoleh sebesar : Ah : 1,00012 + 0,1307

: 1,13082 m2

o Perhitungan Diameter Hidraulik ( Dh ) :

Luas penampang area aliran gas buang ( Gambar 4.5. ) 1 m

0,00046 m

ST

ST

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Gambar 4.5. Profil Luas Penampang Area Superheater

Dalam hal ini,

 Luas penampang area ( Aa ) merupakan luas penampang tanda sirip dalam 1 meter

dikurangi luas sirip dalam 1 meter. Aa =

(

ST −Do

)

L−2

(

1.δ.Nf

)

= ( 0,096 – 0,048 ).1 – 2 ( 0,009.0,00046.300 ) = 0,046 m2

 Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik ( Dh ) :

Dh = 0,096 . 4 . 

  

 

13082 , 1

046 , 0

= 0,0156 m dalam 1 m panjang pipa  Sehingga Bilangan Reynold :

Re = ₅

10 . 514 , 3

562 , 22 . 464 , 0

−

= 4654,754 2000 < Re < 40.000

 Maka rumus mencari bilangan Nusselt adalah :

Nu = 1,13 . C1 . Rem . Pr1/3 ………. (Lit. 8 hal 344 )

Dimana :

Nu = Bilangan Nusselt

Re = Bilangan Reynold

Pr = Bilangan Prandtl

Harga konstanta C1 dan m diperoleh dari tabel korelasi Grimson ( lampiran 1 ) yang bergantung

pada harga SL / Do dan ST / Do dari susunan pipa yang direncanakan.

2 048 , 0

096 , 0

= =

o L

D S

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

2 048 , 0

096 , 0

= =

o T

D S

Dari tabel diperoleh : C1 = 0,482 dan m = 0,556.

maka diperoleh harga bilangan Nusselt :

Nu = 1,13.0,482 (4654,754)0,556 (0,687)1/3

= 52,61

 Maka dapat dicari koefisien pindahan panas diluar pipa ( ho )

ho =

Dh k Nu.

……….( Lit 8 hal 334 )

=

0156 , 0

0557 , 0 . 61 , 52

= 187,54 W/m2oC

4.1.3. Pemilihan Pipa Superheater

Untuk dapat menjamin kekuatan pipa superheater khususnya dalam menahan tekanan yang terjadi didalam pipa, maka kekuatan material pipa yang digunakan ditentukan dengan menggunakan rumus :

S ≥

2 . 2

. P

t D

P o −

Dimana :

P = Tekanan yang terjadi pada pipa, dalam hal ini sebesar 37,594 bar = 545,26 psia

S = tegangan tarik yang diijinkan ( psia )

S ≥

2 26 , 545 145 , 0 . 2

26 , 545

−

S ≥ 3299,78 psia

Sehingga dengan tegangan yang diperoleh diatas, dipilih material yang memiliki tegangan ijin ( S ) diatas 3299,78 psia dalam suhu maksimum yang terjadi. Dari tabel bahan pipa ( lampiran 7 ) direncanakan material pipa yang digunakan adalah terbuat dari Seamless Alloy Steel ( SA 135, 5Cr-1/2MO ) dimana pada temperatur 1000oF masih memiliki tegangan ijin sebesar 5600 psia. Jadi cukup aman untuk digunakan pada superheater dengan suhu maksimum yang terjadi 966,76

o

F

 Mencari efesiensi sirip dengan menggunakan grafik efisiensi sirip seperti pada gambar 4.6. berikut,

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Gambar 4.6. Grafik Efisiensi Sirip ( lit 8, hal 108 )

 Dari data-data sirip pada perhitungan sebelumnya maka dapat dihitung :

• LC =

2

1+δ

= 0,009 +

2 00046 , 0

= 0,00923 m

• r2c = re + 2 δ

= 0,03313 +

2 00046 , 0

= 0,03336 m

• Am = LC.

= ( 0,00923.0,00046 ) m = 0,4245.10−5 m2

•

o c

r r₂

=

024 , 0

03336 , 0

= 1,3825

• Lc3/2 (ho / k.Am)

2 1

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Dimana : k = konduktivitas bahan pipa ( Lampiran 9 ) Diperoleh = 20,79 W/m2oC

0,009233/2 2 1 5 10 . 4245 , 0 . 79 , 20 54 , 187     −

Lc3/2 Lc1/2 = 1,297545099 = 1,3

 Dari grafik diperoleh harga efesiensi sirip ( η_f ) setelah diinterpolasi diperoleh

f

η =50,58%

 Perbandingan luas permukaan sirip dengan luas total permukaan pipa yang menyerap panas dalam 1 meter (Af / Ah )

Af / Ah = 1,000119 m2

= 0,88

 Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total permukaan pipa yang menyerap panas dalam 1 meter (Ac / Ah )

1308 , 1

. .D L A

A _i

h c =π

= 1308 , 1 1 . 04089 , 0 . π

= 0,1136  Efektivitas sirip :

(

f

)

h f o A A η

η =1− 1−

= 1-0,88 (1-0,5058) = 0,563

 Tahanan konduksi pada pipa superheater (Ah . Rw )

        = h c i o i w h A A k D D In D R A . 2 . = 1136 , 0 . 79 , 20 . 2 0408 , 0 048 , 0 0408 , 0       In

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

4.1.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh

Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U) dihitung dari persamaan berikut, atas dasar bidang luas pipa, yaitu :

o o W h h c i h R A A A h U . 1 . 1 1 η + +     = 54 , 187 . 563 , 0 1 001433748 , 0 11361 , 0 . 13 , 3436 1 1 + + = U 0135 , 0 1 = U

Maka : 1 =0,0135 U

= 74,26 W/m2oC

4.1.5. Luas Bidang Pindahan Panas

Besar luas bidang pindahan panas diperoleh dengan rumus :

) .(LMTD

U Q

A= ……….. ( Lit.9 hal 490 )

dimana : A = Luas permukaan perpindahan kalor ( m2 )

Q = Panas yang diserap superheater, pada perhitungan sebelumnya diperoleh = 35425448,79 J/s

U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 74,26 W/m2oC LMTD = Beda suhu rata-rata logaritma = 97,91 oC

Maka : A 91 , 97 . 26 , 74 79 , 35425448 =

A = 4872,74 m2

 Lintasan yang dibutuhkan untuk menyerap panas dengan jumlah 73 batang pipa dalam 1 baris :

1 . .A_h n

A N =

Dimana :

N = Jumlah lintasan

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Ah = Luas total permukaan pipa yang menyerap panas = 1,1308

n = Jumlah pipa perbaris = 74 batang / baris 1 = Panjang pipa perbatang

Maka :

64 , 14 . 130809631 ,

1 . 74

74 , 4872

=

N

= 3,9755 lintasan = 4 Lintasan

Jadi jumlah pipa yang dibutuhkan pada superheater , 4 x 74 = 296 Batang

4.2 Perhitungan Parameter Pipa Evaporator

Evaporator adalah pipa-pipa pemanas yang berfungsi untuk menguapkan air dari keadaaan cair jenuh menjadi uap jenuh. Air jenuh berasal dari drum dan akibat perbedaan massa jenis yang diakibatkan pemanas terjadi sirkulasi dan uap akan kembali ke drum. Sistem pindahan panas yang terjadi adalah system konveksi searah., dimana air mengalir dari bawah ke atas demikian juga gas buang. Gas buang yang dimanfaatkan pada komponen ini berasal dari gas buang yang keluar dari superheater.

Distribusi temperatur dan arah aliran fluida dapat dilihat seperti pada gambar 4.7. Besarnya harga LMTD sistem perpindahan panas pada evaporator ini seperti ditunjukkan gambar 4.7. berikut ini.

ToC

T6

T5

Tg3

Tg2 453,435 oC

276,646 oC

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.

Parlindungan Simanjuntak : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Kapasitas 209 Ton Uap / Jam Dengan Memanfaatkan Gas Buang Dari Lima Unit Turbin Gas, 2010.