Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

PERANCANGAN HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR

(HRSG) DENGAN SISTEM TEKANAN UAP DUA TINGKAT

KAPASITAS DAYA PEMBANGKITAN 77 MW

SKRIPSI

Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

RAHM AD SUGIHART O

NIM . 070421022

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdullillah, dengan segala kerendahan hati, penulis panjatkan puji dan syukur yang tak terhingga kepada ALLAH SWT yang telah memberikan kesehatan, kesempatan dan pengetahuan kepada penulis, karena atas rahmat, karunia dan petunjuk-Nya, penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana yang merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknis Universitas Sumatera Utara.

Adapun tugas sarjana ini diambil dari bidang mata kuliah ketel uap dengan judul ”Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) dengan Sistem Tekanan Uap 2 (Dua) Tingkat (Dual Pressure) Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW”.

Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini, penulis banyak sekali mendapat bantuan bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak khususnya dari Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. selaku dosen pembimbing dan teman – teman di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, atas bantuan yang diberikan kepada penulis.

Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada :

1. Kedua orang tua tercinta Ayahanda Suryono dan Ibunda Rasiem yang

selalu mendoakan dan memberikan yang terbaik buat penulis.

2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc., selaku dosen pembimbing yang telah

banyak meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan dan pengetahuan dalam pengerjaan tugas sarjana ini hingga selesai.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

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 staf pegawai Departemen Teknik Mesin.

6. Nenek Mujinah dan keluarga tercinta, beserta teman – teman di mana

penulis bertempat tinggal selama kuliah, yang selalu memberikan do’a dan dukungan terbaik.

7. Rekan – rekan mahasiswa di Teknik Mesin, khususnya Ekstensi Stambuk

2007 yang telah banyak mendukung dan membantu penulis selama perkuliahan maupun dalam penyelesaian tugas sarjana ini.

8. Teman – teman Caroline Officer yang banyak membantu selama kuliah.

Walaupun penulis berusaha sebaik mungkin, namun penulis menyadari banyak kekurangan isi penulisan tugas sarjana ini. Oleh karena itu, penulis memohon maaf dan dengan senang hati berterima kasih jika menerima saran dan kritik yang sifatnya membangun untuk perbaikan tugas sarjana ini selanjutnya. Semoga penulisan ini memberikan manfaat sebaik – baiknya. Amin.

Medan, Nopember 2009 Hormat Penulis,

NIM. 070421022

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ... i

DAFTAR NOTASI ... vi

DAFTAR GAMBAR ... ix

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

1.2. Tujuan Penulisan ... 2

1.3. Batasan Masalah ... 2

1.4. Metode Penulisan ... 3

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian Siklus Kombinasi ... 4

2.2. Siklus Turbin Gas ... 8

2.3. Heat Recovery Steam Generator ... 11

2.3.1. Komponen Utama HRSG ... 11

2.3.2. Efisensi Termal HRSG ... 15

2.3.3. Proses Perpindahan Panas pada HRSG ... 17

2.4. Alat Penukar Kalor ... 18

2.5. Turbin Uap ... 21

BAB III : PERHITUNGAN TERMODINAMIKA HRSG 3.1. Spesifikasi Teknis Perancangan ... 23

3.2. Perhitungan Uap ... 23

3.3. Kesetimbangan Energi ... 31

3.3.1. Kesetimbangan energi pada sistem uap tekanan tinggi (high pressure atau HP) ... 31

3.3.2. Kesetimbangan energi pada sistem uap tekanan rendah (low pressure atau LP)Evaporator ... 35

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

3.5. Daya yang Dibangkitkan HRSG ... 40 3.6. Efisiensi HRSG ... 41

BAB IV : UKURAN – UKURAN KOMPONEN UTAMA HRSG

4.1. Parameter Perhitungan Pipa HP Superheater ... 43 4.1.1. Pemilihan Pipa HP Superheater ... 45 4.1.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) 48

4.1.3. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) .. 50

4.1.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip ... 58 4.1.5. Tahanan Konduksi pada Pipa HP Superheater ... 60 4.1.6. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 60 4.1.7. Luas Bidang Pindahan panas ... 60 4.2. Parameter Perhitungan Pipa HP Evaporator ... 61 4.2.1. Pemilihan Pipa HP Evaporator ... 64 4.2.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) 66

4.2.3. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) .. 68

4.2.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip ... 75 4.2.5. Tahanan Konduksi pada Pipa HP Evaporator ... 77 4.2.6. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 77 4.2.7. Luas Bidang Pindahan panas ... 78 4.3. Parameter Perhitungan Pipa HP Ekonomiser ... 79 4.3.1. Pemilihan Pipa HP Ekonomiser ... 81 4.3.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) 83

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

4.3.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip ... 91 4.3.5. Tahanan Konduksi pada Pipa HP Ekonomiser .... 93 4.3.6. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 93 4.3.7. Luas Bidang Pindahan panas ... 94 4.4. Parameter Perhitungan Pipa LP Superheater ... 95 4.4.1. Pemilihan Pipa LP Superheater ... 97

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

4.4.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa (hi) . 98

4.4.3. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa (ho) .... 100

4.4.4.Tahanan Konduksi pada Pipa LP Superheater ... 104 4.4.5. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 105 4.4.6. Luas Bidang Pindahan panas ... 105

4.5. Parameter Perhitungan Pipa LP Evaporator ... 106 4.5.1. Pemilihan Pipa LP Evaporator ... 108 4.5.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) 110

4.5.3. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) .. 112

4.5.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip ... 118 4.5.5. Tahanan Konduksi pada Pipa LP Evaporator ... 120 4.5.6. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 120 4.5.7. Luas Bidang Pindahan panas ... 121 4.6. Parameter Perhitungan Pipa Condensate Preheater ... 122 4.6.1. Pemilihan Pipa Condensate Preheater ... 124 4.6.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) 126

4.6.3. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) .. 127

4.6.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip ... 134 4.6.5. Tahanan Konduksi pada Pipa Condensate Preheater 136 4.6.6. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 136 4.6.7. Luas Bidang Pindahan panas ... 136

4.7. Perhitungan Luas Penampang HRSG ... 138

4.8. Cerobong Asap (chimney) HRSG ... 138

BAB V : KESIMPULAN

5.1. Kesimpulan ... 140 5.2. Saran ... 145

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 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 hidrolik pipa m

DN diameter nominal (inch)

h entalphi kJ/kg

hi koefisien konveksi bagian dalam pipa W/m2.oC

ho koefisien konveksi bagian luar pipa W/m2.oC

k konduktivitas thermal W/m.oC

1 panjang sirip m

L panjang pipa m

LMTD beda suhu rata – rata logaritma oC

mg laju aliran massa gas buang kg/s

mu laju aliran massa uap kg/s

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

N jumlah lintasan

Nu bilangan Nusselt

Nf jumlah sirip per batang pipa

p tekanan bar

P daya W

Pr bilangan Prandtl

Q laju perpindahan panas kJ/s

Re bilangan Reynold

re jari-jari luar pipa bersirip m

ri jari – jari dalam pipa 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

o

C

∆Tmax beda suhu maximum

o

C

U koefisien perpindahan panas total W/m2.oC

V kecepatan m/s

Vg kecepatan gas m/s

Vg maks kecepatan gas maksimum rangkuman pipa m/s

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

f efisiensi sirip

O efektifitas sirip

HRSG efisiensi HRSG %

ηT efisiensi turbin %

µ viskositas dinamik fluida kg/m.s

massa jenis fluida kg/ m3

Volume jenis fluida m3/ kg

WP kerja pompa kJ/kg

γ perbandingan kalor spesifik

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

DAFTAR GAMBAR

No. Gambar Nama Gambar Halaman

2.1. Instalasi PLTGU 6

2.2. Siklus Gas Terbuka 9

2.3. Siklus Brayton 9

2.4. Diagram P – V Turbin Gas 9

2.5. Diagram Alir Air dan Uap HRSG 14

2.6. Konstruksi Salah Satu Unit HRSG Buatan SIEMENS

di PLTGU PT. PLN (Persero) Sektor Belawan 15

2.7. Penukar Kalor Pipa Ganda 18

2.8. Perbedaan Jenis Aliran dan Profil Hubungan Temperatur

dalam Sebuah Pipa Ganda Alat Penukar Kalor 20

2.9. Distribusi Temperatur pada Proses Evaporasi 21

2.10. Diagram Instalasi Siklus Gabungan 22

3.1. Profil Diagram Temperatur Gas Buang dan Uap HRSG 24

3.2. Siklus Perencanaan HRSG 25

3.3. Diagram T – S yang Direncanakan 28

3.4. Diagram Analisa Kesetimbangan Energi

pada Uap Tekanan Tinggi 32

3.5. Diagram Analisa Kesetimbangan Energi

pada Uap Tekanan Rendah 35

3.6. Diagram Kesetimbangan Energi Uap dan Gas Buang 39

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

4.1. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada HP Superheater 44

4.2. Sketsa Rancangan Pipa – pipa HP Superheater 46

4.3. Susunan Pipa Selang-Seling pada HP Superheater 50

4.4. Luas Penampang Pipa Bersirip pada HP Superheater 54

4.5. Grafik Efisiensi Sirip 58

4.6. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada HP Evaporator 62

4.7. Sketsa Rancangan Pipa – pipa HP Evaporator 65

4.8. Susunan Pipa Selang-Seling pada HP Evaporator 68

4.9. Luas Penampang Pipa Bersirip pada HP Evaporator 72

4.10. Grafik Efisiensi Sirip 75

4.11. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada HP Ekonomiser 79

4.12. Susunan Pipa Selang-Seling pada HP Ekonomiser 85

4.13. Grafik Efisiensi Sirip 91

4.14. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada LP Superheater 95

4.15. Susunan Pipa Selang-Seling pada LP Superheater 101

4.16. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada LP Evaporator 107

4.17. Susunan Pipa Selang-Seling pada LP Evaporator 112

4.18. Grafik Efisiensi Sirip 118

4.19. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada Condensate Preheater 122

4.20. Susunan Pipa Selang-Seling pada CPH 128

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kebutuhan energi khususnya energi listrik terus meningkat seiring dengan meningkatnya kegiatan pembangunan ekonomi suatu negara. Salah satunya seperti di Indonesia yang merupakan negara ekonomi berkembang dan pertumbuhan penduduk yang semakin besar, merupakan negara dengan konsumsi energi yang semakin meningkat pula. Sumber energi yang paling banyak digunakan di sektor industri dan produksi tenaga listrik di Indonesia adalah minyak bumi dan gas. Minyak bumi dan gas merupakan jenis energi fosil yang tidak dapat diperbaharui yang ketersediaannya semakin berkurang karena penggunaan terus-menerus. Oleh karena itu, pemanfaatan energi harus seefisien mungkin agar menghasilkan manfaat ekonomi dan dapat diterima sebaik-baiknya bagi masyarakat dan lingkungan.

Salah satu bentuk efisiensi pemakaian energi di bidang produksi tenaga listrik adalah pada siklus kombinasi Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU). PLTGU adalah gabungan antara Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG) dengan Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU). Efisiensi termal PLTG di bawah 35 %, tetapi dengan adanya siklus gabungan PLTGU ini dapat diperoleh efisiensi termal yang cukup baik yaitu dapat mencapai di atas 50 % (P.K, Nag, hal. 112). Efisiensi termal pada HRSG adalah indikator seberapa baik kemampuan pemaanfaatan panas untuk menghasilkan uap pada suhu dan tekanan yang diminta. Adanya prinsip ekonomi

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

dan biaya bahan bakar membuat pembangkit daya (powerplant) harus beroperasi seefisien mungkin.

Panas gas buang dari PLTG biasanya di atas 500 oC. Panas ini dapat

dimanfaatkan untuk memproduksi uap yang digunakan sebagai fluida kerja di PLTU. Alat yang digunakan untuk menghasilkan uap tersebut adalah Heat

Recovery Steam Generator (HRSG).

Pada dasarnya prinsip kerjanya hampir sama dengan ketel uap (boiler) yaitu mengkonversi energi panas bahan bakar dengan memanaskan fluida kerja yaitu air menjadi uap panas bertekanan. Keuntungan penggunaan HRSG yang paling prinsip dibanding boiler umum yang menggunakan pembakar (burner) adalah peningkatan efisiensi karena HRSG memanfaatkan gas buang dari Turbin Gas sebagai sumber kalor sehingga tidak memerlukan bahan bakar dan udara sebagai pemanas.

1.2. Tujuan Penulisan

Secara umum tujuan penulisan pada skripsi ini adalah untuk merancang satu unit HRSG, di mana uap yang dihasilkan untuk menggerakkan turbin uap.

Tujuan secara khusus pada penulisan ini adalah untuk mengetahui performansi HRSG secara teoritis serta menentukan parameter dan dimensi komponen – komponen utama HRSG dari suatu HRSG yang dirancang.

1.3. Batasan Masalah

Dalam tugas akhir ini dirancang satu unit HRSG yang memanfaatkan gas buang turbin gas dengan daya 130 MW, di mana uap yang diproduksi HRSG digunakan untuk menggerakkan turbin uap. Adapun pembahasannya meliputi :

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

1. Perhitungan termodinamika HRSG.

2. Perhitungan daya dan efisiensi yang dihasilkan HRSG.

3. Perhitungan ukuran – ukuran utama komponen HRSG yaitu ukuran pipa

dan bahan pemanas awal kondensat (condensate preheater), LP (low

pressure atau tekanan rendah) evaporator, LP superheater, HP (high

pressure atau tekanan tinggi) ekonomiser, HP evaporator dan HP

superheater.

4. Gambar penampang HRSG.

1.5. Metode Penulisan

Metodologi yang digunakan dalam penulisan tugas sarjana ini adalah sebagai berikut :

1. Survei lapangan, yaitu berupa peninjauan langsung ke lokasi tempat

pembangkit berada, yaitu di PT. PLN (Persero) Pembangkitan Sumatera Bagian Utara Sektor Belawan, Medan.

2. Studi literatur, yaitu berupa studi kepustakaan, kajian dari buku manual pembangkit, atau artikel yang terkait dari internet.

3. Diskusi, yaitu berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, staf

perusaahan pembangkit dan dosen pembanding yang akan ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara mengenai kekurangan – kekurangan di dalam penulisan tugas akhir sarjana ini.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian Siklus Kombinasi

Dewasa ini hasil penelitian telah banyak mendapatkan kemajuan dalam melakukan kombinasi pada siklus Brayton (turbin gas) dengan siklus Rankine (tenaga uap) sehingga menjadi siklus gabung atau kombinasi (combined cycle). Siklus gabung adalah suatu siklus yang memanfaatkan gas buang dari turbin gas untuk memanaskan air yang dalam hal ini digunakan ketel atau pembangkit uap (boiler). Pembangkit uap ini dikenal dengan Heat Recovery Steam Generator (HRSG).

Prinsip kerja HRSG hampir sama dengan ketel uap pada umumnya, hanya saja media yang digunakan untuk memanaskan air hingga menjadi uap panas lanjut adalah gas panas buangan turbin gas yang masih memiliki temperatur sangat tinggi. Gas buang yang keluar dari turbin gas umumnya adalah di atas 500

o

C. Gas buang ini masih mengandung banyak oksigen karena sistem turbin gas menggunakan campuran bahan bakar – udara yang miskin. Karena itu dapat digunakan untuk membakar bahan bakar di dalam ruang bakar HRSG.

Dengan adanya siklus gabungan tersebut maka diperoleh 2 (dua) keuntungan yaitu menambah daya listrik dan menghemat biaya bahan bakar. Penambahan daya listrik tanpa menambah bahan bakar berarti akan menaikkan efisiensi termal. Besarnya peningkatan efisiensi siklus gabung tergantung dari temperatur air pendingin yang digunakan pada PLTU dan besarnya temperatur gas buang PLTG dan HRSG. Makin dingin temperatur air pendingin dan makin tinggi

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

temperatur gas buang turbin gas serta makin rendahnya temperatur gas buang HRSG sesuai dengan spesifikasi yang diizinkan, maka efisiensinya juga semakin besar.

Alasan lain pemilihan PLTGU adalah waktu konstruksi yang cepat sehingga bila ada lonjakan permintaan tenaga listrik yang harus dipenuhi dalam waktu singkat maka dapat dibangun PLTGU secara bertahap. Tahap pertama dibangun PLTG untuk memenuhi lonjakan permintaan, sedangkan HRSG dan PLTU dibangun dan dioperasikan kemudian bila permintaan tenaga listrik sudah meningkat. PLTGU dapat dioperasikan sebagai pembangkit untuk beban puncak maupun beban dasar. Yang perlu dipertimbangkan pada beban puncak adalah waktu start – up (mulai operasi) dari PLTGU. PLTG mempunyai waktu start – up yang cepat sedangkan PLTU mempunyai waktu start – up yang lambat bila dalam kondisi cold start – up atau operasi yang dimulai dengan kondisi temperatur fluida yang masih rendah. Sehingga untuk melayani beban puncak perlu beroperasi secara warm start – up (pemanasan bertahap).

HRSG umumnya mempunyai 2 (dua) drum uap, yaitu 1 (satu) untuk tekanan rendah (low pressure atau LP) dan 1 (satu) lagi untuk tekanan tinggi (high

pressure atau HP). HRSG dalam perkembangannya dapat terdiri dari 3 (tiga)

drum uap dengan tekanan uap yang berbeda yaitu tekanan tinggi, tekanan menengah (intermediate pressure atau IP) dan tekanan rendah.

Peningkatan efisiensi HRSG juga dipengaruhi dengan jumlah tekanan uap yang digunakan. HRSG pada umumnya ada yang menggunakan 2 (dua) atau 3 (tiga) tingkat tekanan, tapi dengan semakin banyaknya jumlah tingkat tekanan,

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

maka biaya investasi semakin besar. Maka dalam pertimbangan hal ini maka umumnya dipilih HRSG dengan tekanan 2 (dua) tingkat.

Gambar 2.1. Instalasi PLTGU

Gambar 2.1. di atas menunjukkan sistem instalasi dari komponen – komponen PLTGU di mana HRSG yang digunakan dengan menggunakan tekanan uap 2 (dua) tingkat. Pembangkit daya seperti ini di samping menghasilkan efisiensi yang tinggi dan keluaran daya yang lebih besar, siklus gabung ini bersifat luwes dan dan mudah dioperasikan dengan beban tak penuh, cocok untuk operasi beban dasar dan turbin bersiklus dan mempunyai efisiensi yang tinggi dalam daerah beban yang luas. Kelemahannya berkaitan dengan keruwetannya karena pada dasarnya instalasi ini menggabungkan 2 (dua) teknologi di dalam satu kompleks pembangkit daya.

Untuk meningkatkan efisiensi siklus kombinasi, salah satunya adalah dengan meminimalkan panas yang terbuang melalui gas buang. Suhu gas buang pada cerobong atau bagian akhir HRSG harus serendah mungkin. Walau

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

demikian, suhu tersebut tidak boleh terlalu rendah sehingga uap air akan mengembun pada dinding cerobong. Hal ini penting bagi bahan bakar yang mengandung sulfur dimana pada suhu rendah akan mengakibatkan korosi titik embun sulfur. Oleh karena bahan bakar PLTG adalah gas alam dan sebagai cadangan biasanya menggunakan minyak bakar (HSD). Dari buku manual HRSG ketika survei, diperoleh informasi kandungan SO2 pada gas buang kecil sekali

yaitu hanya sekitar < 0,049 %. Selain itu untuk meningkatkan efisiensi siklus adalah dengan menaikkan temperatur masuk udara ke turbin gas atau dengan mengurangi temperatur kondensasi pada turbin uap.

Dalam tugas sarjana berupa perancangan ini, dipilih siklus gabungan dengan regenerasi karena siklus ini lebih efisien digunakan jika dibandingkan dengan siklus gabungan lainnya dalam menghasilkan daya listrik dengan menggunakan masing – masing 1 (satu) unit turbin gas dan 2 (dua) turbin uap yaitu turbin uap tekanan tinggi dan tekanan rendah. Di samping itu, adanya pemanasan air umpan atau regenerasi akan lebih mengefektifkan kerja HRSG.

HRSG yang dirancang menghasilkan uap yang terdiri dari 2 (dua) tekanan yaitu tekanan tinggi (high pressure atau HP) dan tekanan rendah (low pressure atau LP). Adapun komponen utama HRSG adalah pemanas awal kondensat (condensate preheater atau CPH), LP evaporator, LP Drum, LP superheater, HP ekonomiser, HP evaporator, HP drum dan HP superheater.

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

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 T2 dapat

diketahui dari hubungan :

T2 = T1 . γ

γ−1

p

r dengan :

rp = rasio tekanan P2/P1

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 :

Qin = Cp (T3 – T2)

3 – 4 : Proses ekspansi isentropik dalam turbin. Temperatur gas keluar T4

dihitung dengan hubungan :

T4 = T3

γ γ 1

1

−

   

p

r

4 – 1 : Merupakan proses pelepasan kalor ke lingkungan pada tekanan konstan. Besarnya kalor yang dilepas dihitung dengan rumus :

Qout = Cp (T4 – T1)

Kerja netto turbin (Wnet) 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.

Wnet = WT – WK

= (h3 – h4) – (h2 – h1)

Daya netto turbin merupakan daya keluaran turbin (daya yang dibutuhkan generator) setelah memperhatikan kerugian-kerugian, maka daya netto turbin (P.K Nag, 2002) adalah :

Pnet = mg .

. WT – mg .

. WK

Efisiensi siklus merupakan perbandingan antara jumlah kalor yang efektif dengan kalor yang dimasukkan ke sistem (Yunus A. Cengel, 1979), yaitu :

ηsiklus =

net net

Q W

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

= 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 (Q_h

.

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 (Q_eg

.

) 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 (

.

Qeg) dapat diketahui dengan persamaan berikut ini :

.

Qeg = ( )

.

o i eg egcp T T

m −

dengan :

Ti = temperatur gas buang dari turbin gas (K)

To = temperatur gas buang ke lingkungan (K)

.

eg

m = laju aliran massa gas buang (kg/detik)

eg

cp = panas spesifik gas buang (kJ/kg.K)

Sedangkan laju aliran energi panas yang dibutuhkan air menjadi uap

) (

.

h

Q dapat dicari dengan menggunakan persamaan

.

Qeg 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 = 

     −       ₊

∑

mLP.hLP mHP.hHP mFW.hFW

. . . dengan : LP m .

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 (kJ/kg)

HP

m .

= laju aliran massa uap tekanan tinggi (high pressure) (kg/detik)

HP

h = entalphi uap tekanan tinggi (kJ/kg)

FW

m .

= laju aliran massa air umpan (kg/detik)

FW

h = entalphi air umpan (kJ/kg)

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

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

Alat penukar kalor (heat exchanger) adalah suatu alat yang berfungsi sebagai tempat penukaran panas di antara dua fluida yang berbeda temperatur atau penukaran panas yang terjadi dari temperatur tinggi ke rendah atau sebaliknya tanpa ada pencampuran antara satu fluida dengan fluida lainnya. Penggunaan alat penukar kalor untuk industri pembangkit tenaga misalnya pada HRSG dan PLTU adalah seperti condensate preheater, ekonomiser, evaporator, superheater dan kondensor.

Gambar 2.7. Penukar Kalor Pipa Ganda

Pada gambar 2.7. di atas, salah satu fluida mengalir di dalam tabung yang lebih kecil, sedangkan fluida yang satu lagi mengalir di dalam ruang anulus di antara kedua tabung, fluidanya dapat mengalir dalam aliran arah sejajar (parallel

flow) maupun aliran lawan arah (counter flow), dan profil suhu untuk kedua kasus

itu ditunjukkan pada gambar 2.8. di bawah ini. Perpindahan kalor dalam susunan pipa ganda ini yaitu :

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

.

Q = U A ∆Tm

dengan :

U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m2.oC)

A = luas permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U

∆Tm = beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar kalor

Perpindahan kalor yang sebenarnya (actual) dapat dihitung dari energi yang dilepaskan oleh fluida panas atau energi yang diterima oleh fluida dingin, (J.P. Holman, 1998, hal. 498) yaitu :

Untuk aliran sejajar :

q = ( ) ( )

. .

in c out c c c out h in h h

hc T T m c T T

m − = −

Untuk aliran lawan arah :

q = ( ) ( )

. .

out c in c c c out h in h h

hc T T m c T T

m − = −

Perpindahan kalor maksimumnya dapat dinyatakan sebagai :

qmaks = ( )min( ) .

in c in h T

T c

m −

Fluida minimum boleh yang panas dan boleh pula yang dingin, bergantung dari laju aliran massa dan kalor spesifik.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Gambar 2.8. Perbedaan Jenis Aliran dan Profil Hubungan Temperatur dalam Sebuah Pipa Ganda Alat Penukar Kalor

∆Tm =

[

]

) (

/ ) (

ln

) (

) (

out C in H in C out H

out C in H in C out H

T T T

T

T T T

T

− −

− −

−

……… (J.P. Holman, 1998, hal. 491)

Persamaan ini dapat digunakan untuk aliran lawan arah. Maka dapat dikatakan LMTD adalah beda suhu pada satu ujung penukar kalor dikurangi beda suhu pada ujung yang satu lagi dibagi logaritma alamiah dari perbandingan kedua suhu tersebut.

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

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

temperatur tetapi digunakan untuk mengubah fase fluida. Distribusi temperatur evaporasi dapat dilihat pada gambar 2.9. dibawah ini :

Gambar 2.9. Distribusi Temperatur pada Proses Evaporasi a. Distribusi temperatur aliran sejajar

b. Distribusi temperatur aliran silang

Maka beda suhu rata – rata logaritmik (∆Tm ) adalah :

∆Tm =

[

]

) (

/ ) (

ln

) (

) (

out C out H in C in H

out C out H in C in H

T T

T T

T T

T T

− −

− −

−

……….. (J.P. Holman, 1998, hal 491)

2.5. Turbin Uap

Gas buangan dari gas masuk ke HRSG untuk mengubah air umpan menjadi uap kering yang akan digunakan untuk memutar sudu – sudu turbin uap hingga dapat memutar beban dalam hal ini generator listrik. Beberapa parameter rancangan yang penting berkaitan dengan turbin uap adalah tekanan uap masuk turbin. Mengambil tekanan uap masuk lebih tinggi akan menguntungkan, karena

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

ukuran sudu – sudu turbin akan menjadi lebih kecil, namun tekanan yang terlalu tinggi juga dapat menyebabkan efisiensi akan menurun. Parameter lain yang penting dari turbin uap adalah tekanan kondensor, dalam hal ini turbin uap dan kondensor akan disesuaikan dengan HRSGnya.

HRSG yang menggunakan tekanan uap 2 (dua) tingkat, turbin uap yang digunakan juga dapat dibuat bertingkat yaitu turbin uap tekanan tinggi dan turbin uap tekanan rendah. Uap yang keluar dari turbin uap tekanan tinggi, suhu dan tekanannya dirancang sama seperti uap yang baru dihasilkan dari superheater tekanan rendah sehingga uap keduanya bertemu dan memutar turbin tekanan rendah.

CPH

LP

HP

LP eva LP sup

HP eko

HP eva

HP sup

HP LP G

Turbin Gas

Ruang Bakar

G Kompresor

kondensor Turbin Uap

Udara Atmosfer

Bahan Bakar

Tangki Air Umpan

Pompa Air Umpan

HRSG

SIKLUS GAS

SIKLUS UAP

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

BAB III

PERHITUNGAN TERMODINAMIKA

HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR

3.1. Spesifikasi Teknis Perancangan

Parameter rancangan mengenai Heat Recovery Steam Generator (HRSG) pada perencanan ini mengacu pada data hasil survei yang dilakukan di PT. PLN (Persero) Pembangkitan dan Penyaluran Sumatera Bagian Utara Sektor Belawan. Adapun spesifikasi data – data yang diperoleh dari hasil survei yang akan digunakan untuk perencanaan perancangan HRSG adalah :

a. Daya maksimum turbin gas : 130 MW

b. Bahan Bakar : gas alam

c. Temperatur lingkungan : 30 oC

d. Tekanan lingkungan : 1,013 bar

e. Aliran massa gas buang : 565,9 kg/detik

f. Temperatur gas buang (beban dasar) : 576,3 oC

g. Enthalpi gas buang : 608,548 kJ/kg

h. Tekanan gas buang : 1,1143 bar

3.2. Perhitungan Uap

Temperatur uap yang akan dihasilkan harus disesuaikan dengan temperatur gas buang. Perbedaan temperatur yang terkecil antara 2 (dua) aliran gas dengan uap, yang biasa disebut dengan titik penyempitan (pinch point) x – 1,

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

y –1, x – 2 dan y – 2, (gambar 3.1) untuk alasan kontrol keselamatan (P.K. Nag, 2002).

HP superheater

HP evaporator HP ekonomiser

CPH

(condens. preheater)

LP evaporator LP

superheater

T (oC)

Laju Pindahan Panas (MW) x

1

y 1

y x

2

2

Gambar 3.1. Profil Diagram Temperatur Gas Buang dan Uap HRSG

Temperatur gas buang yang masuk ke HP superheater diperkirakan akan mengalami penurunan sebesar 2 % karena adanya kerugian yang terjadi pada saluran dari saluran keluar gas buang turbin gas ke superheater (P.K. Nag, 2002). Maka temperatur gas buang masuk superheater dapat diperkirakan yaitu :

T masuk superheater = T gas buang turbin gas x 98 % = 576,3 oC x 0,98

= 565,7 oC

Sesuai dengan di atas, temperatur uap yang akan dihasilkan HP superheater dengan pinch point 35 oC adalah :

T uap HP superheater = 565,7 oC – 35 oC

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Dengan memperhitungkan adanya kehilangan panas sepanjang penyaluran uap dari HRSG hingga masuk ke turbin uap sebesar 2 – 3 % (P.K. Nag, 2002), maka temperatur uap masuk turbin HP adalah :

T uap masuk turbin HP = 0,98 x 530,7 oC

= 520,08 oC = 520 oC (diambil)

Temperatur uap yang dihasilkan oleh LP superheater yang direncanakan

adalah 200 oC, maka penurunan temperatur uap yang akan masuk ke turbin uap

LP adalah :

T uap masuk turbin LP = 0,98 x 200 oC = 196 oC

CPH

LP

HP LP eva

LP sup

HP eko

HP eva

HP sup

HP LP G

kondensor Turbin Uap Tangki Air

Umpan

P1 HRSG

Gas Buang

3 2

4

5

5′ 7

1 8

9

530,7 oC

520 oC

196 oC

P = 1,1143 bar h = 596,36 kJ/kg

6

9′ P2

10′

200 oC

a b c d e f g

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Turbin uap yang digunakan adalah turbin uap dengan kondensasi, di mana hasil ekspansi turbin uap akan dikondensasikan pada kondensor. Besarnya tekanan uap hasil ekspansi masuk kondensor menurut (Frietz Dietzell, 1992) adalah di bawah tekanan atmosfer, yaitu berkisar pada (0,04 – 0,1 bar). Dalam hal ini, media pendingin yang akan digunakan adalah air dengan suhu sekitar 30 oC.

Temperatur hasil uap hasil ekspansi turbin masuk kondensor direncanakan di atas 42 oC (dari tabel dengan tekanan 10 kPa, Tsat = 45,81 oC). Parameter yang lain

mengenai turbin uap, yaitu derajat kebasahan yang dapat diterima sehubungan dengan terjadinya erosi pada sudu, adalah sekitar di atas 17 %, yang artinya kualitas uap masuk kondensor (keluar turbin) sebesar 83 % (P.K. Nag., 2002). Dengan mempertimbangkan keamanan sudu turbin, pada perencanaan ini kualitas uap masuk kondensor diambil 83 %. Dari data di atas :

T masuk turbin HP = 520 oC

P masuk kondensor = 0,1 bar

X (kualitas uap) = 83 %

T = 85 %

Maka dari diagram Mollier diperoleh Pmaks (tekanan masuk turbin HP)

sebesar 68 bar. Dengan mempertimbangkan adanya penurunan tekanan sepanjang penyaluran uap mulai dari HRSG hingga masuk turbin sekitar 5 % (P.K. Nag, 2002), maka dalam perencanaan ini tekanan uap HP superheater yaitu :

P uap kelua HP superheater = 100 / 95 x 68 bar

= 71,57 bar

Tekanan uap masuk ke turbin uap LP dirancang 6,7 bar, dengan mempertimbangkan adanya penurunan tekanan sepanjang penyaluran uap mulai

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

dari HRSG hingga masuk turbin sebesar 5 %, maka dalam perencanaan ini tekanan uap keluar LP superheater yaitu :

Puap keluar LP superheater = 100 / 95 x 6,7 bar = 7 bar

Sehingga dalam perancangan ini direncanakan :

1. Temperatur gas masuk HP superheater = 565,7 oC

2. Uap yang dihasilkan HP superheater

a. Temperatur = 530,7 oC

b. Tekanan = 71,57 bar

3. Kondisi uap HP superheater masuk turbin

a. Temperatur = 520 oC

b. Tekanan = 68 bar

4. Uap yang dihasilkan LP superheater

a. Temperatur = 200 oC

b. Tekanan = 7 bar

5. Kondisi uap LP superheater masuk turbin

a. Temperatur = 196 oC

b. Tekanan = 6,7 bar

6. Kondisi uap hasil ekspansi turbin dan keluar kondensor

a. Temperatur = 45,81 oC

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

1 2

3

4 8

9

5

10

S (kJ/kg.K)

T (oC)

7

HP

LP

10' 5' 9'

6

Gambar 3.3. Diagram T – S yang Direncanakan

Di bawah ini adalah keadaan di setiap titik proses aliran air dan uap yang direncanakan di mana parameter temperatur dan enthalpi dapat diperoleh dari tabel uap atau dapat juga diperoleh dari kalkulator uap di website

Keadaan titik 1 :

P1 = 0,1 bar

h1 = 191,83 kJ/kg

v1 = 0,0010102 m3/kg

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Keadaan titik 2 :

Wpompa = v1 . (P2 – P1)

= 0,0010102 m3/kg . (700 – 10) kPa

= 0,697 kJ/kg h2 = Wp + h1

= (191,83 + 0,878) kJ/kg = 192,527 kJ/kg

T2 = 45,86 oC

Keadaan titik 3 :

P3 = 7 bar

h3 = hf = 697,22 kJ/kg

v3 = 0,001108 m3/kg

T3 = 164,9 oC

Keadaan titik 4 :

P4 = 7 bar

h4 = hg = 2763,5 kJ/kg

Keadaan titik 5 :

P5 = 7 bar

T5 = 200 oC

h5 = 2844,224 kJ/kg

Keadaan titik 5′ (kondisi masuk turbin LP) : T5′ = 196 oC

P5′ = 6,7 bar

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Keadaan titik 6 :

Wpompa = v3 . (P6 – P3)

= 0,001108 m3/kg . (7157 – 700) kPa

= 7,154 kJ/kg h6 = Wp + h3

= (7,154 + 697,22) kJ/kg = 704,374 kJ/kg

T6 = 165,79 oC

Keadaan titik 7 :

P7 = 71,57 bar

h7 = hf = 1274,79 kJ/kg

T7 = 287,35 oC

Keadaan titik 8 :

P8 = 71,57 bar

h8 = hg = 2769,88 kJ/kg

Keadaan titik 9 :

T9 = 530,7 oC

P9 = 71,57 bar

h9 = 3554,212 kJ/kg

Keadaan titik 9′ : P9′ = 68 bar

T9′ = 520 oC

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Keadaan titik 10 (kondisi ideal) :

P10 = 0,1 bar

hf = 191,83 kJ/kg dan hfg = 2392,8 kJ/kg

X (kualitas uap) = 0,83 Maka :

h10 = hf + x . hfg

= (191,83 + (0,83 x 2392,8) kJ/kg = 2177,854 kJ/kg

Keadaan titik 10′ (kondisi aktual) : P10′ = 0,1 bar

T = 85 %

T =

10 ' 5

' 10 ' 5

h h

h h

− −

h10′ = h5′ – [ T . (h5′ – h10) ]

= 2836,86 kJ/kg – [ 0,85 . (2836,86 – 2177,854) kJ/kg ] = 2276,7 kJ/kg

3.3. Kesetimbangan Energi

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

3.3.1. Kesetimbangan energi pada sistem uap tekanan tinggi (HP) Quap = Qgas

u

m .

(h9 – h7) = mg

.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

a c

9 8

7 HP

eva

HP sup

b

Gambar 3.4. Diagram Analisa Kesetimbangan Energi pada Uap Tekanan Tinggi Keterangan gambar 3.4. :

a = gas buang masuk HP superheater c = gas buang melewati HP evaporator Titik 7 – 8 = Kondisi pada HP evaporator Titik 8 – 9 = Kondisi pada HP superheater

Kondisi titik c (gas buang melewati HP evaporator) : Tc = T8 + 35 oC

= 287,35 + 35 oC

= 322,35 oC

hc = 323,86 kJ/kg

h (enthalpi) gas buang diambil dari tabel sifat – sifat udara atau dapat

diperoleh pada kalkulator sifat gas buang di

memasukkan temperatur yang diperoleh dari hasil perencanaan dan massa kandungan gas buang (dalam %) dari hasil survei yaitu :

N2 = 72,442

O2 = 15,175

CO2 = 5,337

H2O = 5,833

AR = 1,211 SO2 = -

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Kondisi titik a (gas buang masuk melewati superheater) : Ta = 565,7 oC

ha = 596,36 kJ/kg

Maka laju aliran uap tekanan tinggi (HP) dapat diperoleh sebesar :

u m . = ) ( ) ( 7 9 . h h h h

m a c

−− = kg kJ kg kJ s kg / ) 79 , 1274 212 , 3554 ( / ) 86 , 323 36 , 596 ( / 9 , 565 − −

= 67,65 kg/s

a. HP superheater

Uap panas lanjut yang dihasilkan HP superheater, yaitu pada tekanan 71,57 bar dan temperatur 530,7 oC. Maka kalor yang diserap pada HP superheater

adalah :

Quap = mu

.

(h9 – h8)

= 67,65 kg/s . (3554,212 – 2769,88) kJ/kg = 53060,06 kJ/s

= 53060,06 kW

Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah

sebesar 53060,06 kW.

Qgas = mg

.

(hin – hout)

53060,06 kW = 565,9 kg/s . (596,36 kJ/kg – hout)

hout = 502,59 kJ/kg

Tout = 483,36 oC

Maka temperatur gas buang keluar HP superheater adalah 483,36 oC dan

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

b. HP evaporator

Pada tekanan 71,57 bar, dari tabel sifat uap jenuh diperoleh temperatur air

mendidih pada 287,32 oC. Air akan mengalami penguapan pada HP evaporator.

Besarnya kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan air adalah :

Quap = mu

.

(h8 – h7)

= 67,65 kg/s . (2769,88 – 1274,79) kJ/kg = 101142,83 kW

Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah

sebesar 101142,83 kW.

Qgas = mg

.

(hin – hout)

101142,83 kW = 565,9 kg/s . (502,59 kJ/kg – hout)

hout = 323,86 kJ/kg

Tout = 322,34 oC

Maka temperatur gas buang keluar HP evaporator adalah 322,34 oC dan gas buang

akan masuk ke HP ekonomiser.

c. HP ekonomiser

Air yang masuk ke HP ekonomiser adalah air yang telah dipanaskan dari pemanas awal kondensat (condensate preheater atau CPH) kemudian dipompakan hingga tekanan 71,57 bar kemudian dipanaskan di HP ekonomiser hingga suhu 287,35 oC. Jumlah kalor yang dibutuhkan yaitu :

Quap = mu

.

(h7 – h6)

= 67,65 kg/s . (1274,79 – 659,97) kJ/kg = 41592,573 kW

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah

sebesar 41592,573 kW.

Qgas = mg

.

(hin – hout)

41592,573 kW = 565,9 kg/s . (323,86 kJ/kg – hout)

hout = 250,35 kJ/kg

Tout = 254,47 oC

Maka temperatur gas buang keluar HP ekonomiser adalah 254,47 oC dan gas

buang akan masuk ke LP superheater.

3.3.2. Kesetimbangan energi pada sistem uap tekanan rendah (LP) Quap = Qgas

u

m .

(h5– h3) = mg

.

(hd – hf)

d f

5 4

3 LP

eva

LP sup e

Gambar 3.5. Diagram Analisa Kesetimbangan Energi pada Uap Tekanan Rendah Keterangan gambar 3.4. :

d = gas buang masuk melewati LP superheater f = gas buang melewati LP evaporator

Titik 3 – 4 = Kondisi pada LP evaporator Titik 4 – 5 = Kondisi pada LP superheater

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Kondisi titik f (gas buang melewati LP evaporator) dengan pinch point yang diambil adalah 16,5 oC :

Tf = T3 + 16,5 oC

= 164,9 + 16,5 oC

= 181,4 oC

hf = 172,42 kJ/kg

Kondisi titik d (gas buang masuk LP superheater) : Td = 254,47 oC

hd = 250,35 kJ/kg

Maka laju aliran uap tekanan rendah (LP) dapat diperoleh sebesar :

u m . = ) ( ) ( 3 5 . h h h h m d f

− − = kg kJ kg kJ s kg / ) 22 , 697 24 , 2844 ( / ) 42 , 172 35 , 250 ( / 9 , 565 − −

= 20,54 kg/s a. LP superheater

Uap panas lanjut yang dihasilkan LP superheater, yaitu pada tekanan 7 bar dan temperatur 200 oC. Maka kalor yang diserap pada LP superheater adalah :

Quap = mu

.

(h5 – h4)

= 20,54 kg/s . (2844,224 – 2763,5) kJ/kg = 1658,07 kW

Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Qgas = mg

.

(hin – hout)

1658,07 kW = 565,9 kg/s . (250,35 kJ/kg – hout)

hout = 247,95 kJ/kg

Tout = 252,24 oC

Maka temperatur gas buang keluar LP superheater adalah 252,24 oC dan gas

buang akan masuk ke LP evaporator.

b. LP evaporator

Pada tekanan 7 bar, dari tabel sifat uap jenuh diperoleh temperatur air

mendidih pada 164,9 oC. Air akan mengalami penguapan pada LP evaporator.

Besarnya kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan air adalah :

Quap = mu

.

(h4 – h3)

= 20,54 kg/s . (2763,5 – 697,22) kJ/kg = 42441,39 kW

Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah

sebesar 42441,39 kW.

Qgas = mg

.

(hin – hout)

42441,39 kW = 565,9 kg/s . (247,95 kJ/kg – hout)

hout = 172,43 kJ/kg

Tout = 181,4 oC

Maka temperatur gas buang keluar LP evaporator adalah 181,4 oC dan gas buang

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

c. Condensate Preheater (CPH)

Air yang masuk ke Condensate Preheater (CPH) adalah uap air buangan turbin uap yang telah dikondensasikan di kondensor kemudian air tersebut dipompakan hingga tekanan 7 bar kemudian dipanaskan di CPH hingga suhu 164,9 oC. Jumlah kalor yang dibutuhkan yaitu :

Quap = mu

.

(h3 – h2)

= (67,65 + 20,54) kg/s x (697,22 – 192,527) kJ/kg = 44508,875 kW

Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah

sebesar 41077 kW.

Qgas = mg

.

(hin – hout)

44508,875 kW = 565,9 kg/s . (172,43 kJ/kg – hout)

hout = 93,778 kJ/kg

Tout = 107 oC

Maka temperatur gas buang keluar CPH adalah 107 oC dan gas buang akan

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

1 2

3

4 8

9

5

10

S (kJ/kg.K)

T (oC)

7

HP

LP

6

a b c d e f

g

Gambar 3.6. Diagram Kesetimbangan Energi Uap dan Gas Buang

3.4. Spesifikasi HRSG yang Direncanakan

Dari perhitungan dan beberapa penentuan yang menjadi parameter pertimbangan dalam rancangan HRSG ini, maka spesifikasi rancangannya yaitu :

1. Sumber panas HRSG adalah gas buang dari 1 (satu) unit turbin gas, yaitu :

- temperatur gas buang masuk HRSG : 565,7 oC

- laju aliran massa gas buang masuk HRSG : 565,9 kg/s

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

3. Uap yang dihasilkan HRSG dirancang dengan menggunakan tekanan uap

2 (dua) tingkat (HP dan LP), yaitu : Uap HP :

 temperatur : 530,7 oC

 tekanan : 71,57 bar

 laju aliran : 67,65 kg/s

Uap LP :

 temperatur : 200 oC

 tekanan : 7 bar

 laju aliran : 20,54 kg/s

4. Temperatur gas buang masuk ke tiap titik komponen HRSG :

 HP superheater : 565,7 oC

 HP evaporator : 483,36 oC

 HP ekonomiser : 322,24 oC

 LP superheater : 254,47 oC

 LP evaporator : 252,24 oC

 Condensate Preheater (CPH) : 181,4 oC

 Cerobong : 107 oC

3.5. Daya yang Dibangkitkan Turbin Uap

Berdasarkan uap yang dihasilkan HRSG, maka daya yang dihasilkan turbin uap (aktual) adalah :

PT HP = T . mu

.

. (h9′ – h5′)

= 0,85 x 67,65 kg/s x (3460,744 – 2836,86) kJ/kg = 35874,889 kW

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

PT LP = T . mu

.

. (h5′ – h10′)

= 0,85 x (67,65 + 20,54) kg/s x (2836,86 – 2276,7) kJ/kg = 41990,433 kW

PT total = PT HP + PT LP

= (35874,889 + 41990,433) kW = 77865 kW = 77 MW

Maka daya total yang dibangkitkan HRSG (HP + LP) adalah sebesar 77 MW.

3.6. Efisiensi HRSG

Effisiensi HRSG dihitung dengan persamaan :

HRSG = 100%

dim

x masuk

panas

anfaatkan yang

panas

Panas yang dimanfaatkan = QHPSuperheater + QHPEvaporator + QHPEkonomiser +

QLP Superheater + QLPEvaporator + QCPH

= (53060,06 + 101142,83 + 41592,573 + 1658,07 + 42441,39 +44508,875) kW

= 284403,798 kW

Panas masuk = m .g h_g

.

= 565,9 kg/s x 608,548 kJ/kg = 344377,313 kW

Sehingga diperoleh :

344377,313 284403,798

=

HRSG

η x 100 %

= 0,8258 = 82,58 %

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

HP LP

_G

kondensor Turbin Uap Tangki Air

Umpan

Gas Buang

T = 530,7

o

C

P = 71,57 bar

T = 520

o

C

254,47

o

C

T = 196

o

C

565,7

o

C

P = 1,1143 bar

h = 596,36 kJ/kg

322,34

o

C

483,36

o

C

252,24

o

C

181,4

o

C

107

o

C

T = 200

o

C,

P = 6,7 bar

P = 68 bar

P = 7 bar

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

BAB IV

UKURAN – UKURAN KOMPONEN UTAMA

HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR

4.1. Parameter Perhitungan Pipa HP Superheater

HP superheater adalah pipa – pipa pemanas yang berfungsi untuk memanaskan uap yang berasal dari drum uap HP menjadi uap panas lanjut. HP superheater ini terletak pada bagian bawah sekali dari susunan komponen alat penukar kalor yang ada pada HRSG.

Sistem perpindahan panasnya adalah sistem konveksi berlawanan arah, di mana uap mengalir dari atas ke bawah sementara gas buang mengalir dari bawah ke atas. Pada sistem perpindahan panas konveksi berlawanan arah, luas perpindahan panas yang dibutuhkan akan lebih kecil bila dibandingkan dengan sistem konveksi satu arah, karena untuk kondisi kapasitas dan temperatur yang sama besarnya, harga beda suhu rata – rata logaritma (LMTD) pada sistem konveksi berlawanan arah adalah lebih kecil dari pada konveksi searah.

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

A =

) (

. LMTD

U Q

……… (J.P. Holman, 1998, hal. 490)

dengan :

A = luas permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U (m2)

Q = besarnya perpindahan kalor (J/s)

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

LMTD = beda suhu rata-rata logaritma (oC)

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

483,36

287,35 565,7

530,7 ToC

Tg A Tg B

T9

T8

L (m)

Gambar 4.1. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada HP Superheater Di mana sebelumnya telah diperoleh :

T9 = temperatur uap masuk HP superheater = 287,35 oC

T10 = temperatur uap keluar HP superheater = 530,7 oC

TgA = temperatur gas buang masuk HP superheater = 565,7 oC

TgB = temperatur gas buang keluar HP superheater = 483,36 oC

Maka :

LMTD =

min max

min max

ln

T T

T T

∆ ∆−∆

∆ _{………. (F.P. Incropera, 1981, hal. 510)}

∆T1 = TgB – T8

= 483,36 oC – 287,35 oC

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

∆T2 = TgA – T9

= 565,7 oC – 530,7 oC

= 35 oC

∆T1 sebagai ∆Tmax dan Maka ∆T2 sebagai ∆Tmin.

Maka diperoleh harga LMTD :

LMTD =

C 35

C 01 , 196 ln

C 35 C 01 , 196

0 0

0 0 −

= 93,45 oC

Besarnya harga koefisien 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 ………… (F.P. Incropera, 1981, hal. 505)

dimana :

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

Ac / Ah = Perbandingan luas pipa bagian dalam dengan luas pipa yang

menyerap kalor

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

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

o = Efektivitas sirip bagian luar

4.1.1. Pemilihan Pipa HP Superheater

Pipa HP superheater dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja dengan diameter kecil.Diambil ukuran pipa dari ukuran standar pipa untuk baja

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

schedule 40 dengan diameter nominal ( DN ) 1½” 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 = 0,04089 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 standar 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 (Tunggul S., 1975, hal. 142). Maka sket perancangan pipa HP superheater dapat dilihat pada gambar berikut :

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Sehingga jumlah pipa-pipa HP superheater yang dibutuhkan adalah :

n =

ST pipa panjang

+ 1 = 096 , 0

7 + 1

= 74 batang dalam 1 (satu) baris

Dengan ST adalah jarak antara dua titik pusat pipa.

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

S ≥

2 . 2

. P

t D P _o

− ... (Vincent Cavaseno, 1979) di mana :

P = Tekanan yang terjadi pada pipa, dalam hal ini sebesar 71,57 bar = 1037,7651 psia

S = tegangan tarik yang diijinkan (psia)

S ≥

2 765 , 1037 145

, 0 2

9 , 1 765 , 1037

− x

x

S ≥ 6280,2675 psia

Sehingga dengan tegangan yang diperoleh diatas, dipilih material yang memliki tegangan ijin (S) diatas 6280,2675 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) di mana pada temperatur 1100oF masih memiliki tegangan ijin sebesar 10.300 psi,

jadi cukup aman untuk digunakan pada HP superheater dengan suhu maksimum yang terjadi 1049,99 oF.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

4.1.2. Koefisien Perpindahan Panas di Dalam Pipa ( hi )

Koefisien perpindahan panas dalam pipa ( hi ) seharusnya ditentukan pada

temperatur film. Dalam hal ini dapat juga ditentukan pada kondisi temperatur uap rata-rata HP superheater ( uT = 409 oC ) pada tekanan 71,57 bar. Dari tabel

sifat-sifat air pada berbagai tekanan dan temperatur, setelah diinterpolasi diperoleh data-data sebagai berikut :

= 2,577 .10−4kg/m.s

k = 0,0644 W/m.oC

Pr = 1,068

Kecepatan aliran uap pada HP superheater dihitung sebagai berikut :

Vu =

1 .

. .

A n

V mu

………. (Sorensen, 1983, hal. 339)

dengan :

Vu = Kecepatan aliran uap dalam pipa (m/s)

u

m .

= laju aliran uap = 67,65 kg/s

n = jumlah pipa HP superheater = 74 batang

v = Volume jenis uap, dihitung atas dasar volume jenis uap rata – rata pada HP superheater dengan tekanan 71,57 bar

v = 2

9 8 v

v +

; di mana : v8 = 0,02676 m3/kg

v9 = 0,04943 m3/kg

v =

2

04943 , 0 02676 ,

0 +

= 0,038095 m3/kg

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar :

Vu = ₂

) 04089 , 0 ( ) 4 / ( 74 038095 , 0 65 , 67 x x x π

= 26,52 m/s

Diperolehnya kecepatan uap dalam pipa sebesar 26,52 m/s masih dalam batas kecepatan uap maksimum yang diijinkan untuk uap yaitu sebesar 50 m/s (MJ. Djokostyardjo, 1990, hal. 186).

Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan Reynold yaitu :

Re =

µ ρ.V .u Di

……….. (Bayazitoglu, 1988, hal. 234)

dengan : = Massa jenis uap pada HP superheater (kg/ m3)

= Viskositas dinamik uap (kg/m.s)

Di = Diameter dalam (m)

Maka : Re =

µ ρ.Vu.Di

= ₅

10 577 , 2 04089 , 0 52 , 26 25 , 26 − x x x

= 11,048 x 105

Aliran yang terjadi adalah turbulen, Re > 4000 (JP. Holman, 1998), maka hi

dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

hi =

i u

D K N .

……….. (Bayazitoglu, 1988, hal. 283)

Bilangan Nussselt dapat dihitung dengan :

Nu = 0,023

4 , 0 8 , 0 . r e P R

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

= 0,023 x (11,048 x 105)0,8 x (1,068)0,4

= 1613,63 dengan :

k = 0,644 W/m.oC

Di = 0,04089 m

Maka :

hi =

04089 , 0

0644 , 0 63 ,

1613 x

= 2540,77 W/m2 oC

4.1.3. Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa (ho )

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

ST

SL

SD

A1

A2

Gambar 4.3. Susunan Pipa Selang-Seling pada HP Superheater di mana :

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

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)

A2 = Jarak antara 2 buah pipa secara diagonal (m)

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

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 gas buang, yaitu :

g

T =

2 36 , 483 7 ,

565 +

= 524,53 oC = 797,53 K

Untuk mencari sifat – sifat gas buang dapat diperoleh dari website

atau sifat – sifat gas buang dapat juga disamakan dengan sifat-sifat udara (tabel sifat – sifat udar), dalam hal ini sifat – sifat gas buang yang diperoleh adalah dari

k = 0,0555 W/m.K = 3,64.10-5 kg/m.s

= 0,4437 kg/m3

Pr = 0,689

Cp = 1,1388 kJ/kg.K

Maka dapat dihitung kecepatan gas maksimum (Vg maks) pada rangkuman

pipa pada gambar 4.3, maka kecepatan maksimum dapat terjadi pada A1 dan A2.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Vg maks =

(

)

g o T T V D S S .

− ……… (Incropera, 1981, hal. 344)

o Apabila pada A2, maka :

Vg maks =

(

)

g o D T V D S S .

2 − ……….. (Incropera, 1981, hal. 344)

o Vg maks 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 −

……... (Incropera, 1981, hal. 344)

5 , 0 2 2 2 096 , 0 096 ,

0 _

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

0,1073312 > 0,024

Maka dapat disimpulkan Vgmaks terjadi pada A1 :

Vg maks =

(

)

g o T T V D S S . −

di mana :

Vg = Kecepatan gas masuk pada rangkuman pipa diukur pada temperatur

gas buang masuk rangkuman pipa

Vg =

L n S m T g g . . . . ρ dengan : g m .

: laju aliran gas buang = 565,9 kg/s

g : massa jenis gas buang pada T gas buang masuk = 565,7 oC adalah

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

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 4212 , 0

9 , 565

x x x

= 12,92 m/s

Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum (Vg maks) sebesar :

Vg maks =

(

)

12,92 048

, 0 096 , 0

096 , 0

x −

= 25,84 m/s

Sehingga Bilangan Reynold maksimum untuk gas buang adalah :

Re = µ ρ.Vgmaks.Dh

dengan :

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) di mana :

Dh = lf . 4 .

h a

A A

……….. (W.M. Kays, 1984, hal. 8)

di mana :

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Aa : luas penampang aliran (m2)

Ah : luas total permukaan yang menyerap panas (m2)

dan :

ho =

h u

D k N .

………. (Bayazitoglu, 1988, hal. 283)

dengan :

Nu : bilangan Nusselt

k : konduktivitas gas buang (W/moC)

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

0,00046 m

l

1 m

r

e

r

o

r

i

Gambar 4.4. Luas Penampang Pipa Bersirip pada HP Superheater di mana :

ri : jari-jari dalam pipa = 0,02 m

ro : jari-jari luar pipa = 0,024 m

1 : panjang sirip = 0,009 m

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

: tebal sirip = 0,00046 m

nf : jumlah sirip = 289 sirip/m

Penentuan panjang, tebal dan jumlah sirip diperoleh dari lampiran 2, maka dapat dicari :

o Luas permukaan sirip (Af )

Af =

(

)

e f

o e N D D D . . . 4

2 2 2

        +

− _{π δ}

π

di mana :

Af : Luas permukaan sirip (m2)

De : Diameter sirip = 0,066 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 =

(

)

.0,066.0,00046 .289

4 048 , 0 066 , 0 . .

2 2 2

   



 π − _+π

= 0,959m2 dalam 1 meter panjang pipa

o Luas permukaan primer (Ap)

Ap =



π.Do

(

L−δ.Nf

)



Nt

Dimana : Nt : 1, untuk 1 batang pipa

(

)

[

.0,0481−0,00046.289

]

.1

= π

P

A

= 0,13075 m2 untuk 1 meter panjang pipa

o Luas total permukaan pipa yang menyerap panas untuk 1 meter panjang

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

di mana :

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 = 0,959 + 0,13075

= 1,08975 m2

o Perhitungan Diameter Hidraulik (Dh) :

Luas penampang area (Aa) merupakan luas penampang tanpa sirip dalam 1

meter dikurangi luas sirip dalam 1 meter. Aa =

(

ST −Do

)

L−2

(

1.δ.Nf

)

= (0,096 – 0,048) x1 – 2 x (0,009 x 0,00046 x 289) = 0,0456 m2

Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik (Dh) :

Dh = 0,096 x 4 x 

  

 

08975 , 1

046 , 0

= 0,016 m dalam 1 m panjang pipa Sehingga Bilangan Reynold :

Re = ₅

10 64 , 3

016 , 0 84 , 25 4212 , 0

−

x x x

= 4784,09 2000 < Re < 40.000

Maka rumus mencari bilangan Nusselt adalah :

Nu = 1,13 . C1 . Rem . Pr1/3 ………. (Incropera, 1981, hal. 344)

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

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

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 x 0,482 x (4784,09)0,556 x (0,689)1/3

= 53,477

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

ho =

Dh k Nu.

=

016 , 0

05555 , 0 477 .

53 x

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

4.1.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip

Untuk mencari efesiensi sirip dapat digunakan dengan menggunakan grafik efisiensi sirip (Incropera, 1981, hal. 108) seperti pada gambar 4.5. di bawah ini.

Gambar 4.5. Grafik Efisiensi Sirip

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

LC =

2 1+δ =

2 00046 , 0 009 ,

0 +

= 0,00923 m

r2c =

2

δ +

e

r

=

2 00046 , 0 033 ,

0 +

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.