Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
2.2. Siklus Turbin Gas
Turbin gas merupakan alat yang mengonversi energi kimia bahan bakar menjadi energi energi mekanis melalui proses pembakaran, kemudian energi
mekanis tersebut dikonversi oleh generator menjadi energi listrik. Turbin gas bekerja dengan siklus Brayton dan fluida kerjanya adalah gas. Sistem turbin gas
yang paling sederhana terdiri dari 3 tiga komponen utama yaitu : kompresor, ruang bakar dan turbin, dengan susunan seperti pada gambar 2.3.
Prinsip kerja sistem ini adalah udara atmosfer masuk ke dalam kompresor yang berfungsi menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga
temperaturnya akan naik. Kemudian udara bertekanan tinggi itu masuk ke dalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar ke dalam arus udara
tersebut, sehingga terjadi proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung pada tekanan konstan, sehingga bisa dikatakan bahwa ruang bakar
hanyalah digunakan untuk menaikkan temperatur udara. Gas pembakaran yang bertemperatur tinggi itu kemudian masuk ke dalam turbin gas di mana energinya
dipergunakan untuk memutar sudu turbin. Sebanyak
±
60 dari daya yang dihasilkan turbin digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, sisanya baru
digunakan untuk memutar generator. Siklus ideal ini terdiri dari 2 dua proses isobar yang terjadi di ruang
bakar dan proses pembuangan gas bekas, serta 2 dua proses isentropik yang terjadi pada kompresor dan ekspansi gas pada turbin.
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Turbin Gas
Ruang Bakar
G
Kompresor
1
Udara Atmosfer Bahan Bakar
SIKLUS GAS
2 3
4
Gambar 2.2. Siklus Gas Terbuka
Gambar 2.3. Siklus Brayton
Gambar 2.4. Diagram P – V Turbin Gas
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Jalannya proses dapat diterangkan sebagai berikut Frietz Dietzell, 1992, hal 156:
1 – 2 : Merupakan proses kompresi isentropik dalam kompresor, kondisi 1 adalah udara atmosfer. Temperatur udara hasil kompresi T
2
dapat diketahui dari hubungan :
T
2
= T
1
.
γ γ
1 −
p
r
dengan : r
p
= rasio tekanan P
2
P
1
γ = perbandingan panas spesifik pada tekanan konstan dan panas spesifik pada volume konstan, untuk udara
γ = 1,4 2 – 3 : Proses penambahan panas pada tekanan konstan dalam ruang bakar.
Panas yang ditambahkan pada ruang bakar adalah : Q
in
= C
p
T
3
– T
2
3 – 4 : Proses ekspansi isentropik dalam turbin. Temperatur gas keluar T
4
dihitung dengan hubungan :
T
4
= T
3 γ
γ 1
1
−
p
r 4 – 1 : Merupakan proses pelepasan kalor ke lingkungan pada tekanan konstan.
Besarnya kalor yang dilepas dihitung dengan rumus : Q
out
= C
p
T
4
– T
1
Kerja netto turbin W
net
merupakan kerja berguna yang dihasilkan turbin setelah kerja ekspansi dikurangi dengan kerja kompresi. Besar kerja netto turbin
adalah :
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
W
net
= W
T
– W
K
= h
3
– h
4
– h
2
– h
1
Daya netto turbin merupakan daya keluaran turbin daya yang dibutuhkan generator setelah memperhatikan kerugian-kerugian, maka daya netto turbin P.K
Nag, 2002 adalah : P
net
= g
m
.
. W
T
– g
m
.
. W
K
Efisiensi siklus merupakan perbandingan antara jumlah kalor yang efektif dengan kalor yang dimasukkan ke sistem Yunus A. Cengel, 1979, yaitu :
η
siklus
=
net net
Q W
= h
3
– h
2
′ – h
4
′ - h
1
h
3
– h
2
′
= 1 –
′ −
− ′
2 3
1 4
h h
h h
2.3. Heat Recovery Steam Generator HRSG Heat Recovery Steam Generator HRSG pada umumnya terdiri dari
beberapa seksi – seksi yaitu pemanas awal kondensat kondensat preheater, ekonomiser, evaporator dan superheater.
2.3.1. Komponen-komponen Utama HRSG Adapun komponen utama dan fungsi bagian – bagian HRSG antara lain :
1. Pemanas awal kondensat condensate preheater atau CPH Pemanas awal kondensat berfungsi memanaskan air yang berasal dari
kondensat keluaran turbin uap, kemudian air yang sudah dipanaskan ini dialirkan dan dikumpulkan ke tangki air umpan. Umumnya pemanas awal
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
kondensat ini diletakkan di bagian paling atas sekali dari posisi pipa – pipa pemanas yand ada dan diikuti oleh pipa – pipa lainnya.
2. Ekonomiser Ekonomiser adalah elemen HRSG yang berfungsi untuk memanaskan
air umpan sebelum memasuki drum ketel dan evaporator sehingga proses penguapan lebih ringan dengan memanfaatkan gas buang dari HRSG yang
masih tinggi sehingga memperbesar efisiensi HRSG karena dapat memperkecil kerugian panas yang dialami HRSG. Air yang masuk pada
evaporator sudah pada temperatur tinggi sehingga pipa-pipa evaporator tidak mudah rusak karena perbedaan temperatur yang tidak terlalu tinggi.
Keuntungan lain dari ekonomiser adalah air yang akan masuk ke dalam evaporator pada temperatur tinggi sehingga untuk menguapkannya
hanya dibutuhkan panas yang sedikit untuk proses penguapan, sehingga luas bidang yang dipanaskan atau heating surface dari evaporator bisa lebih sedikit
akibatnya ukuran dari HRSG bisa lebih kecil, oleh karena itu biaya produksi HRSG bisa lebih diperkecil. Maka kesimpulan dari keuntungan penggunaan
ekonomiser adalah : a
Biaya perawatan maintenance cost menjadi lebih murah. b
Efisiensi termal dapat diperbesar. c
Biaya operasi menjadi lebih hemat atau lebih ekonomis. d
Harga investasi HRSG menjadi lebih murah. 3. Evaporator
Evaporator merupakan elemen HRSG yang berfungsi untuk mengubah air hingga menjadi uap jenuh. Pada evaporator dengan adanya pipa penguap
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
akan terjadi pembentukan uap. Pada evaporator biasanya kualitas uap sudah mencapai 0,8 – 0,98, sehingga sebagian masih berbentuk fase cair. Evaporator
akan memanaskan uap air yang turun dari drum uap panas lanjut yang masih dalam fase cair agar berbentuk uap sehingga bisa diteruskan menuju
superheater. Perpindahan panas yang terjadi pada evaporator adalah film pool boiling di mana air yang dipanaskan mendidih sehingga mengalami perubahan
fase menjadi uap jenuh. Jenis evaporator ada 2 dua jenis yaitu evaporator bersirkulasi alami bebas dan evaporator bersirkulasi paksa dengan pompa.
4. Superheater
Superheater atau pemanas lanjut uap ialah alat untuk memanaskan uap jenuh menjadi uap panas lanjut superheat vapor. Uap panas lanjut bila
digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi di dalam turbin atau mesin uap tidak akan mengembun, sehingga mengurangi kemungkinan
timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik back stroke yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada waktunya sehingga
menimbulkan vakum di tempat yang tidak semestinya di daerah ekspansi. Selain komponen – komponen utama HRSG di atas, HRSG juga
dilengkapi peralatan bantu lainnya yang fungsinya sangat menunjang kinerja HRSG, antara lain drum uap dan cerobong asap. Drum sebagai wadah yang
berfungsi memisahkan campuran air – uap dan keluarannya berupa uap jenuh kering steam saturated steam yang kemudian dialirkan ke superheater.
Cerobong asap berfungsi sebagai laluan yang membantu tarikan gas buang ke atmosfer.
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
CPH
LP
HP
LP eva
LP sup
HP eko
HP eva
HP sup UAP LP
UAP HP
Gas Buang
Gambar 2.5. Diagram Alir Air dan Uap HRSG Keterangan gambar 2.5 :
CPH = condensate preheater eko = ekonomiser
eva = evaporator sup = superheater
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Gambar 2.6. Konstruksi Salah Satu Unit HRSG Buatan SIEMENS di PLTGU PT. PLN Persero Sektor Belawan
2.3.2. Efisiensi Termal HRSG Dalam suatu sistem, analisis berpusat pada daerah dimana materi dan
energi mengalir melaluinya. Perhitungan efisiensi termal HRSG yang menggunakan 2 dua tekanan tinggi dan rendah dapat dilakukan dengan
membandingkan laju aliran energi yang digunakan untuk menguapkan air menjadi uap panas lanjut atau superheated
h
Q
.
baik pada uap tekanan tinggi maupun uap
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
tekanan rendah dan laju aliran energi yang terkandung dalam gas buang
eg
Q
.
dari sistem PLTG yang berguna dalam HRSG, dirumuskan lit. 10 :
=
. .
eg h
Q Q
x 100
Besarnya energi panas yang terkandung dalam gas buang turbin gas yang diberikan kepada HRSG
.
Q
eg
dapat diketahui dengan persamaan berikut ini :
.
Q
eg
=
. o
i eg
eg
T T
cp m
−
dengan : T
i
= temperatur gas buang dari turbin gas K T
o
= temperatur gas buang ke lingkungan K
. eg
m
= laju aliran massa gas buang kgdetik
eg
cp
= panas spesifik gas buang kJkg.K Sedangkan laju aliran energi panas yang dibutuhkan air menjadi uap
. h
Q
dapat dicari dengan menggunakan persamaan
.
Q
eg
tersebut. Pada persamaan di atas diasumsikan :
1. Sistem dalam kondisi tunak steady state. 2. Perubahan laju aliran energi potensial dan laju aliran energi kinetik diabaikan.
3. Adanya kerja yang masuk ke sistem, maka persamaannya menjadi lit.10 :
. h
Q
=
−
+
∑
FW FW
HP HP
LP LP
h m
h m
h m
. .
.
. .
.
dengan :
LP
m
.
= laju aliran massa uap tekanan rendah low pressure kgdetik
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
LP
h = entalphi uap tekanan rendah kJkg
HP
m
.
= laju aliran massa uap tekanan tinggi high pressure kgdetik
HP
h = entalphi uap tekanan tinggi kJkg
FW
m
.
= laju aliran massa air umpan kgdetik
FW
h = entalphi air umpan kJkg
2.3.3. Proses Perpindahan Panas pada HRSG Perpindahan panas adalah perpindahan energi thermal dari temperatur
tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Perpindahan panas yang terjadi di dalam HRSG praktis hanya melalui proses kombinasi konveksi dan konduksi saja, tidak
ada lagi proses radiasi karena HRSG tidak lagi berhadapan dengan lidah api. Perpindahan panas konduksi yang terjadi di dalam HRSG yaitu panas
dirambatkan atau dihantarkan oleh molekul-molekul dinding pipa yang berbatasan dengan aliran gas buang turbin gas kemudian panas dirambatkan menuju dinding
pipa air bagian dalam. Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas yang
dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida cair ataupun gas. Perpindahan panas secara konveksi dibedakan menjadi 2 dua jenis perpindahan panas yaitu
konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi bebas free convection terjadi bila molekul-molekul fluida yang bergerak disebabkan perbedaan kerapatan massa
jenis densiti di dalam fluida itu sendiri, sedangkan pada konveksi paksa force convection, molekul-molekul fluida tersebut bergerak atau mengalir sebagai
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
akibat kekuatan mekanis misalnya dipompa atau dihembus fan dan setiap kondisi alirannya berbeda.
2.4. Alat Penukar Kalor
