Perancangan Turbine Inlet Cooling Untuk Meningkatkan Efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Gas Dengan Menggunakan Refrigerasi Absorpsi
PERANCANGAN SISTEM TURBINE INLET COOLING UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS DENGAN MENGGUNAKAN REFRIGERASI ABSORPSI SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ABSTRAK
Energi listrik sangat berperan penting dalam kemajuan suatu daerah, oleh karena itu ketersediaan energi listrik harus menjadi prioritas. Ketersediaan listrik dapat dicapai dengan dua cara yaitu penambahan pembangkit baru dan meningkatkan efisiensi pembangkit yang ada.
Pada tugas skripsi ini, penulis merancang sebuah sistem pendinginan udara masuk compressor atau TIC (turbine inlet cooling) pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas dengan tujuan untuk meningkatkan efisiensi dari mesin tersebut. Sistem pendinginan yang digunakan adalah refrigerasi absorpsi, dimana energi yang dipakai untuk menggerakan mesin absorpsi adalah limbah energi panas dari turbin gas. Studi data perancangan sistem ini menggunakan data mesin General Electric Frame 9 di PT PLN (Persero) Sektor Belawan.
Perancangan pendinginan refrigerasi absorpsi pada udara masuk kompressor ini dapat meningkatkan daya mampu ± 13% (±17MW), penurunan heat rate ± 3%, penghematan konsumsi bahan bakar sebesar 0,0086 liter/ kwh, penurunan emisi gas
2 buang CO 2200 kg/jam dan keuntungan lainnya disisi mechanical turbine gas.
Keyword : turbine gas, absorpsi, efisiensi, heat rate, emisi gas buang i
ABSTRACT
Electrical energy plays an important role in the progress of a region, therefore the availability of electrical energy should be a priority. The availability of electricity can be achieved in two ways: the addition of new plants and improve the efficiency of existing plants.
In this paper the task, the authors designed a compressor inlet air cooling system or TIC (turbine inlet cooling) on Gas Power Plant with a view to improving the efficiency of the engine. Cooling system used is absorption refrigeration, where the energy is used to drive an absorption machine is waste heat energy from the gas turbine. The study design of the data the system uses the data engine General Electric Frame 9 to PT PLN (Persero) Sector Belawan.
The design of absorption refrigeration cooling the intake air compressor is capable of power can increase ± 13% (± 17MW), a decrease in heat rate of ± 3%, saving fuel consumption by 0.0086 liters / kWh, a decrease in CO2 emissions of 2200 kg / h and profits other gas turbine mechanical side.
Keyword : turbine gas, absorpsi, efficiency, heat rate, exhaust emision ii iii
Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kepada Illahi rab’bi, Alloh SWT Tuhan Semesta Alam, penjaga langit dan bumi serta seluruh isinya yang telah memberikan rahmat serta karunia-Nya yang sangat tidak terhitung sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas skripsi ini dengan tepat waktu.
Didalam tugas skripsi dengan judul “Perancangan Turbine Inlet Cooling
Untuk Meningkatkan Efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Gas Dengan
Menggunakan Refrigerasi Absorpsi” ini penulis sadar bahwa dari awal sampai
akhir penyusunan banyak sekali mendapatkan bantuan moril maupun materil yang sangat membantu dari berbagai pihak, oleh karena itu penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST.MT selaku pembimbing skripsi, terima kasih pak atas inspirasi, ilmu, waktu, motivasi dan perhatian yang telah diberikan sampai terselesaikanya tugas skripsi ini. In shaa Alloh menjadi bekal yang bermanfaat untuk memasuki dunia yang sebenarnya.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departement Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara dan selaku Dosen Pembanding, terima kasih untuk bimbingan, masukan dan motivasinya.
3. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, MSc selaku Dosen Pembanding, terima kasih untuk bimbingan, masukan dan motivasinya.
4. Seluruh jajaran manajemen PT. PLN (Persero) Sektor Belawan, terutama Assistant Manajer Engineering Bapak Trisno Widayat, ST atas perhatian dan bantuannya selama ini.
5. Seluruh staf dosen pengajar Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara atas ilmu yang sangat bermanfaat
6. Ibundaku Aminah yang senyumannya selalu menjadi semangat bagi setiap perjuanganku, dan semoga cepat sembuh agar bisa melihat ananda wisuda
7. Ayahandaku Abdul Rahim, berkat didikan dan inspirasi hidup, menjadikanku menjadi seorang laki-laki yang kuat dalam menjalani kehidupan dan tetap berpegang teguh kepada Agama.
8. Ketiga kakaku Dewi Indrayanti, Julianto Ramdani dan Samsul Bahri yang selalu ada untuk menjadi sandaran, ketika adikmu lelah dan letih dalam menghadapi setiap permasalahan hidup.
9. Angreiny Widya Sari Lubis wanita yang selalu memberikan motivasi, semangat, untuk menyelesaikan laporan skripsi ini.
10. Staf administrasi Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara, terutama Bang Lilik dan Bang Syawal atas semua bantuan di masa perkuliahan.
11. Teman – teman di PT PLN (Persero) Pembangkitan Sumatera bagian Utara Sektor Belawan, terima kasih untuk bantuan ilmu dan informasinya.
12. Teman – teman mahasiswa Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara.
13. Semua pihak yang telah membantu dalam tugas skripsi dan penyusunan laporan ini. pembaca, aamiin
Medan, Juni 2014 Penulis iv
DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN
ABSTRAK..................................................................................................................... i
ABSTRACT................................................................................................................... ii
KATA PENGANTAR................................................................................................... iii
DAFTAR ISI.................................................................................................................. v
DAFTAR GAMBAR..................................................................................................... viii
DAFTAR TABEL.......................................................................................................... xi
DAFTAR NOTASI................................................................................... xii
BAB I PENDAHULUAN1.1 Latar Belakang………………………………………………………
1 1.2 Tujuan …………….………………………………………………...
4
1.3 Manfaat Perancangan………………………………………………
5 1.4 Batasan Masalah……………………….............................................
5 1.5 Sistematika Penulisan.........................................................................
6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem Tenaga Listrik………………………………….……………
7 2.1.1 Pusat Pembangkit Listrik……..................................................
7 2.1.2 Transmisi Tenaga Listrik.........................................................
8 2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG). ..........................................
9 2.2.1 Prinsip Kerja PLTG..................................................................
10 2.2.2 Komponen PLTG….................................................................
12 2.2.2.1 Generator...........................................................................
13 2.2.2.2 Air Inlet Section ................................................................
13 2.2.2.3 Compressor Section .........................................................
14 v
vi
47
33
34
35
35
37
38
38
40
44
47
48
28
49
50
51
53
60
63
65
72
72
73
33
5.2.1 Kenaikan Daya Mampu……..….…………………………… 5.2.2 Penurunan Nilai Heat Rate……………………………………..
BAB III BAB IV BAB V 2.2.2.4 Turbine...............................................................................
METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Metodologi Penelitian........................................................................
2.3 Refrigerasi……………………………... ...........................................
2.3.1 Sejarah Refrigerasi…………………….…...............................
2.3.2 Sistem Refrigerasi…................................................................
2.4 Refrigerasi Absorpsi ..........................................................................
2.4.1 Prinsip Kerja Refrigerasi Absorpsi…...…...............................
2.4.2 Keuntungan Refrigerasi Absorpsi….....…...............................
2.5 Hubungan Temperatur Udara dengan Gas Turbin ............................
2.5.1 Energi yang Terjadi Pada Gas Turbin …...…..........................
2.6 Siklus Termodinamika Pada Gas Turbin ...........................................
2.7 Emisi Gas Buang...............................................................................
3.2 Waktu dan Tempat Penelitian.............................................................
5.2 Keuntungan Penerapan Sistem………………...…………………
3.3 Metode Pengumpulan Data…............................................................
3.4 Rencana Desain Penelitian………….................................................
PERANCANGAN SISTEM 4.1 Penjelasan Perancangan Sistem……………....................................
4.2 Perancangan Sistem.............................................................
4.2.1 Alat Penukar Kalor I (Cooling Heat Exchanger)......................
4.2.2 Alat Penukar Kalor II (Heating Heat Exchanger)....................
4.2.3 Absorption Chiller......................................................................
4.2.3.1 Analisa Mesin Chiller Absorpsi………………………..
ANALISIS KEUNTUNGAN
5.1 Biaya Investasi…………….………………...……………………
76
vii
5.2.3 Penurunan Nilai Emisi Gas Buang………………………… 5.2.4 Penurunan Temperatur Exhaust Turbine……………………….
5.2.5 Memperkecil Perubahan Daya Output……………………….
5.2.6 Memperkecil Nilai Kandungan Uap Air…………………….
PENUTUP
6.1 Kesimpulan………………………………………………………… 6.2 Saran……………………………………………………………...
79
80
80
81
82
83 DAFTAR PUSTAKA………………………………………………………………… LAMPIRAN………………………………………………………………………….. ix x
DAFTAR GAMBAR
19 Gambar 2.13 Combustion Chamber………………...…………………………...
36
34 Gambar 2.25 Siklus Refrigerasi Absorpsi………………………………………
32 Gambar 2.24 Proses Pemindahan Panas………………………………………...
31 Gambar 2.23 Exhaust Gas Diffuser……………………………………………..
30 Gambar 2.22 Turbine Stator Blade……………………………………………...
29 Gambar 2.21 Turbine Rotor Blade………………………………………………
28 Gambar 2.20 Tubin Stationary Blade Assembly………………………………...
27 Gambar 2.19 Turbine Rotor……………………………………………………..
26 Gambar 2.18 Manhole With Inspecting Tube…………………………………...
25 Gambar 2.17 Air Mixing Adjustment……………………………………………
23 Gambar 2.16 Burner Assembly For Liquid And Gaseous Fuels………………...
22 Gambar 2.15 Internal Parts……………………………………………………..
20 Gambar 2.14 Pressure Jacket…………………………………………………...
viii
Gambar 1.1 Data beban kelistrikan Sumatera bagian Utara……………….……17 Gambar 2.11 Compressor Rotor Blade………………………………………….
16 Gambar 2.10 Compressor Outlet Difusser………………………………………
15 Gambar 2.9 Rotor Kompressor………………………………………………….
13 Gambar 2.8 Compressor Stationary Blade Assembly…………………………...
13 Gambar 2.7 Generator………………………………………………………….
12 Gambar 2.6 Turbin Gas Tipe V 94.2 Siemens………………………………….
11 Gambar 2.5 KomponenUtama Gas Turbin……………………………………..
11 Gambar 2.4 Siklus PLTG……………………………………………………….
9 Gambar 2.3 Komponen Listrik Tenaga Gas…………………………………….
7 Gambar 2.2 Sistem PLTG…………………………………………………….....
4 Gambar 2.1 Sistem Kelistrikan……………………………………………….…
3 Gambar 1.3 Spesifikasi Gas Turbin GE Frame 9…………………………..…....
1 Gambar 1.2 Pembangkitlistrik Sumatera bagian Utara………………………....
18 Gambar 2.12 Combined Journal Bearing……………………………………….
ix Gambar 2.26 Proses Konversi Energi pada PLTG………………………….......
57 Gambar 4.10 Design Heat Exchanger For Cooling.............................................
70 Gambar 5.1 Data Spesifikasi PLTG Lot 3..........................................................
68 Gambar 4.22 Correction Factor Chart.................................................................
67 Gambar 4.21 Generator.........................................................................................
66 Gambar 4.20 Siklus Absorpsi...............................................................................
66 Gambar 4.19 Analisa Diagram PhAmmonia........................................................
65 Gambar 4.18 Diagram Ph Ammonia.....................................................................
63 Gambar 4.17 Katalog Absorption Chiller LG Electronic.....................................
62 Gambar 4.16 Design Heat Exchanger For Heating.............................................
60 Gambar 4.15 Correction Factor Chart.................................................................
59 Gambar 4.14 Pola Perpindahan Panas Heat Exchanger II...................................
59 Gambar 4.13 Rencana penempatan heat exchanger pada air intake....................
58 Gambar 4.12 Arrangement of the tubes in in-lineand staggered tube banks.......
58 Gambar 4.11 Dimensi Air Intake PLTG Lot 3.....................................................
56 Gambar 4.9 Design Heat Exchanger For Cooling...............................................
38 Gambar 2.27 Effect of Ambient Temperature On Gas Turbine Performance......
55 Gambar 4.8 Correction Factor Chart...................................................................
54 Gambar 4.7 Perencanaan Desain..........................................................................
53 Gambar 4.6 PolaPerpindahanPanasHeat Exchanger I......................................
52 Gambar 4.5 Heat Exchanger Cross-Flow............................................................
52 Gambar 4.4 Penempatan Heat Exchanger pada Air Intake..................................
51 Gambar 4.3 Perencanaan Desain Psikometrik......................................................
50 Gambar 4.2 RencanaPenempatanHeat Exchanger.............................................
49 Gambar 4.1 Perencanaan desain...........................................................................
47 Gambar 3.2 Perencanaan desain...........................................................................
41 Gambar 3.1 PT PLN (Persero) Sektor Belawan...................................................
40 Gambar 2.30 Diagram TS Turbin Gas Sederhana................................................
40
Gambar 2.29 Skematik Diagram UntukTurbin Gas Sederhana..........................39 Gambar 2.28 Sistem Gas Turbin...........................................................................
73 Gambar 5.2 Grafik Hubungan Temperatur Lingkungan dan Output Turbin GE
Frame 9.................................................................................................................
74 Gambar 5.3 Diagram Hubungan Daya Output dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor...............................................................................................
75 Gambar 5.4 Grafik Hubungan Temperatur Lingkungan dan Heat Rate Turbin GE Frame 9.........................................................................................................
76 Gambar 5.5 Diagram Hubungan Heat Rate dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor...........................................................................................................
77 Gambar 5.6 Diagram Hubungan Konsumsi Bahan Bakar dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor...................................................................................
78 Gambar 5.7 Grafik Hubungan Emisi Gas Buang dengan Temperatur Lingkungan..........................................................................................................
79 Gambar 5.8 Diagram Hubungan Emisi Gas Buang CO2 dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor...................................................................................
80 x
DAFTAR TABEL Tabel 1 Data beban kelistrikan Sumbagut Juni 2013……………….……..........
viii
2 Tabel 2 Perkiraan Rincian Biaya Investasi Penerapan Sistem …….....................
72 Tabel 3 Rincian Keuntungan Penerapan Sistem.…………………………..…....
73 xii
DAFTAR NOTASI
SIMBOL KETERANGAN SATUAN
BP Beban Puncak Megawatt
MW Besaran Energi Listrik Megawatt
V Besaran Tegangan Listrik Volt
ρ Kerapatan Udara Kg/m³
P Tekanan Udara Statis Hpa/Bar R Konstanta Gas
J/Kmol rp Rasio Kompresi
ɳ c
Efisiensi Isentropic Kompressor
η m
Efisiensi Mekanik Kompressor
ṁ
Laju Aliran Bahan Bakar Kg/s
ṁ
Laju Aliran Udara Kg/s LHV Low Heating Value TIT Turbine Inlet Temperature °C
Cpf Panas Spesifik Bahan Bakar
Tf Temperatur Bahan Bakar °C f Rasio Bahan Bakar Wt Kerja Turbin Wc Kerja Kompressor SFC Spesific Fuel Consumption xiii ɳ th
Efisiensi Gas Turbin Cp Coefficient Spesific Kj/Kg.°C Q Besaran Energi Panas Watt TR Ton Refrigerasi
TR A Luas Penampang Meter U Koefisien Panas
Watt/m² L Panjang
Meter v Kecepatan m/s
LMTD Log Mean Temperature Different