Skipsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
SKRIPSI PERANCANGAN HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR ( HRSG ) YANG MEMANFAATKAN GAS BUANG TURBIN GAS DI PLTGU PT. PLN ( PERSERO ) PEMBANGKITAN DAN PENYALURAN SUMATERA BAGIAN UTARA SEKTOR BELAWAN Skipsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ABSTRAK
Dalam berkembangnya IPTEK saat ini, kebutuhan manusia akan energi semakin meningkat, sementara persediaan akan energi yang ada hanya terbatas. Dalam hal ini alternatif lain yang ditempuh yaitu merancang mesin yang efisien guna meningkatkan kebutuhan akan energi. Atas dasar ini penulis merancang HRSG yang memanfaatkan gas buang turbin gas di PLTG PT. PLN ( persero ) pembangkitan dan peyaluran sumatera bagian utara sektor belawan. HRSG (Heat Recovery Steam Generator) adalah ketel uap atau boiler yang memanfaatkan energi panas sisa gas buang satu unit turbin gas untuk memanaskan air dan mengubahnya menjadi uap, dan kemudian uap tersebut dipergunakan untuk menggerakkan turbin uap. Pada umumnya HRSG tidak dilengkapi pembakar (burner) dan tidak mengkonsumsi bahan bakar, sehingga tidak terjadi proses perpindahan/penyerapan panas radiasi. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini dapat mengetahui performansi dari HRSG secara teoritis dan menentukan masing – masing komponen tersebut.
Kata kunci : Energi, HRSG, Uap, Komponen Utama.
Puji dan syukur, penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan anugerah kesehatan dan kesempatan karena atas anugerah-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini yang merupakan syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Adapun judul tugas sarjana ini yaitu, “Perancangan Heat Recovery Steam
Generator ( HRSG ) Yang Memanfaatkan Gas Buang Turbin Gas Di PLTG PT.
PLN ( Persero) Pembangkitan Dan Penyaluran Sumatera Bagian Utara Sektor
Belawan”.Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini, penulis banyak mendapatkan bimbingan dan motivasi dari berbagai pihak, khususnya dari Bapak Ir. Tekad Sitepu dimana beliau selaku dosen pembimbing dalam tugas sarjana ini dan teman – teman mahasiswa di Fakultas Teknik Mesin USU.
Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa mengucapkan banyak terima kasih kepada :
1. Kedua Orang tua tercinta, Ayahanda Selamat Silaban dan Ibunda Sinur Simatupang yang selalu memberikan banyak dukungan dan doa kepada penulis.
2. Bapak Ir. Tekad Sitepu, selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktu dan memberikan pengetahuan dalam pengerjaan tugas sarjana ini sampai selesai kepada penulis.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin FT – USU.
4. Bapak/Ibu dosen Departemen Teknik Mesin yang selama ini medidik penulis selama menjadi mahasiswa.
5. Bapak/Ibu staf pegawai Departemen Teknik Mesin.
6. Rekan – rekan mahasiswa Ekstensi Teknik Mesin 2010, yang telah memberikan motivasi dan membantu penulis dalam penyelesaian tugas sarjana ini..
Penulis menyadari banyak kekurangan dalam penyelesaian tugas sarjana ini. Oleh karena itu penulis memohon maaf yang sebesar – besarnya dan mengucapkan terima kasih atas saran dan kritik yang bertujuan untuk membangun dalam perbaikan tugas sarjana ini selanjutnya. Semoga dalam penulisan tugas sarjana ini dapat memberikan manfaat.
Medan, Juni 2013 Hormat Penulis,
Sahala Hadi Putra Silaban NIM. 100421007
DAFTAR ISI ABSTRAK…………………………………………………………………….i KATA PENGANTAR………………………………………………………..ii DAFTAR ISI……………………………………………………………… …....iii DAFTAR NOTASI……………………………………………………….. …....vii DAFTAR GAMBAR……………………………………………………… …....xi
BAB I : PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang…………………………………………………....1
1.2. Batasan Masalah………………………………………………….1
1.3. Tujuan Penulisan………………………………………………. ........2
1.4. Metode Penulisan…………………………………………………2
1.5 Sistematika Penulisan…………………………………………......2
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengertian HRSG……………………………………………… ……4
2.2. Bagian – Bagian Utama HRSG………………………………......5
2.3. Siklus Gabungan………………………………………………….7
2.4. Siklus Turbin Gas…………………………………………….......9
2.5. Neraca Kalor………………………………………………….......11
2.6. Proses Pembentukan Uap……………………………………… .......12
2.7. Alat Penukar Kalor……………………………………………….13
BAB III : PERHITUNGAN TERMODINAMIKA
3.1. Spesifikasi Teknis Perancangan……………………………….. …16
3.2. Perhitungan Uap………………………………………….…….…16
3.3. Kesetimbangan Energi……………………………………........ …21
3.3.1. Superheater………………………………………….. ....22
3.3.2. Evaporator…………………………………....……....22
3.3.3. Ekonomiser…………………………………………...23
3.3.4. Kondensat Preheater………………………………….23
3.4. Spesifikasi HRSG Yang Direncanakan……………...………..24
3.5. Daya Yang Dihasilkan Turbin…………………….…………..24
BAB IV : PERHITUNGAN KOMPONEN – KOMPONEN UTAMA HRSG
4.1. Perhitungan Untuk Pipa Superheater………………………….26
4.1.1. Koefisien Perpindahan Panas Bagian Dalam ( h i )...... ….29
4.1.2. Koefisien Perpindahan Panas Bagian luar ( h ).......... .....30
o
4.1.3. Pemilihan Pipa Superheater…………………………. ….36
4.1.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh…………....... ….39
4.1.5. Luas Bidang Pindahan Panas………………………... ….39
4.2. Perhitungan Untuk Pipa Evaporator…………………………...40
4.2.1. Koefisien Perpindahan Panas Bagian Dalam ( h i )...... ….42
4.2.2. Koefisien Perpindahan Panas Bagian luar ( h ).......... ….43
o
4.2.3. Pemilihan Pipa Evaporator………………………...... ….48
4.2.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh……………..51
4.2.5. Luas Bidang Pindahan Panas………………………...51
4.3. Perhitungan Untuk Pipa Ekonomiser………………………...... ...52
4.3.1. Koefisien Perpindahan Panas Bagian Dalam ( h i )...54
4.3.2. Koefisien Perpindahan Panas Bagian luar ( h ).......... ...55
o
4.3.3. Pemilihan Pipa Ekonomiser………………………..... ...60
4.3.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh……………... ...63
4.3.5. Luas Bidang Pindahan Panas…………………….....63
4.4. Perhitungan Untuk Pipa Preheater…………………………….. ...64
4.4.1. Koefisien Perpindahan Panas Bagian Dalam ( h i )....66
4.4.2. Koefisien Perpindahan Panas Bagian luar ( h ).......... …67
o
4.4.3. Pemilihan Pipa Preheater…………………………….71
4.4.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh……………..74
4.4.5. Luas Bidang Pindahan Panas………………………...75
4.5. Effisiensi HRSG………………………………………………..76
BAB V: KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan……………………………………………………..77
5.2 Saran………………………………………………………….....79
DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………. ….81 LAMPIRAN
DAFTAR NOTASI
Notasi Arti Satuan°C/W A i Luas pipa bagian dalam m
l Panjang sirip m
Koefisien konveksi bagian luar pipa W/m °C k Konduktivitas thermal W/m °C
o
Diameter sirip m ( in ) D i Diameter bagian dalam pipa m ( in ) D o Diameter bagian luar pipa m ( in ) DN Diameter Nominal ( in ) h Enthalpi jenis kJ/kg h i Koefisien konveksi bagian dalam pipa W/m °C h
e
D
2 C p Kalor spesifik J/kg.K
2 A p Luas permukaan sirip primer m
2
A Luas permukaan pindahan panas m
Tahanan konduksi pipa m
w
.R
2 A h
2 A h Luas total permukaan yang menyerap panas m
2 A f Luas permukaan sirip m
Luas penampang pipa bagian dalam m
2 A c
2 A a Luas penampang aliran m
L Panjang pipa m
l f Jarak dua buah pipa m
LMTD Beda suhu rata – rata logaritma °C ̇
Laju aliran massa gas buang kg/s ̇
Laju aliran massa uap kg/s n Jumlah pipa dalam saru baris N Jumlah lintasan N
f
Jumlah sirip N u Bilanagan nusselt P Tekanan
Bar P
net
Daya netto turbin kW P r Bilangan prandel P T Daya turbin kW Q Besar perpindahan kalor J/s Q Eko Kalor yang dihasilkan ekonomiser kW Q Eva Kalor yang dihasilkan evaporator kW Q Sh Kalor yang dihasilkan superheater kW R
e
Bilangan reynold r e Jari – jari luar pipa bersirip m r i Jari – jari dalam pipa m r
o
Jari – jari luar pipa m S Tegangan tarik izin N/m
2 S D Jarak diagonal m S L Jarak longitudinal dua buah pipa m S T Jarak tranversal dua buah pipa m t tebal pipa m ( in )
T Temperatur °C T a Temperatur gas buang masuk evaporator °C T
g
η th
η o Efektifitas sirip
η HRSG Efisensi HRSG %
Efisiensi sirip %
η f
X Kualitas uap %
Kerja kompresor aktual kJ/kg W p Kerja pompa kJ/kg
k akt
Kecepatan aliran gas m/s V g maks Kecepatan aliran gas maksimum m/s V u Kecepatan aliran uap m/s W
V
b
/kg
3
°C v Volume jenis fluida m
2
U Koefisien perpindahan panas total W/m
2 Beda suhu maksimum °C
ΔT
1 Beda suhu minimum °C
Temperatur gas buang masuk superheater °C T g Temperatur gas buang °C T u Temperatur uap °C ΔT
Efisiensi thermal %
η T Efisiensi turbin %
μ
Viskositas dinamik fluida kg/m.s
ρ
Massa jenis fluida kg/ m
3
δ Tebal sirip m
γ
Perbandingan kalor spesifik
DAFTAR GAMBAR
Gambar Nama Gambar Halaman4.2 Sketsa rancangan pipa – pipa superheater
19
3.3 Diagram analisa kesetimbangan energi
21
3.4 Siklus gabungan yang direncanakan
25
4.1 Sketsa aliran uap dan gas buang pada superheater
26
28
17
4.3 Susunan pipa selang – seling
30
4.4 Penampang pipa bersirip
33
4.5 Profil luas penampang area superheater
34
4.6 Grafik efisiensi sirip
3.2 Diagram T-s yang direncanakan
3.1 Profil diagram temperatur gas buang dan uap
2.1 Pusat listrik tenaga uap dan gas
2.5 Diagram T-s
4
2.2 Diagram PLTGU dengan HRSG single pressure
7
2.3 Pembangkit daya siklus gabungan
8
2.4 Siklus turbin gas terbuka
9
10
15
2.6 Diagram P-v
10
2.7 Distribusi temperatur pada alat penukar kalor
13
2.8 Distribusi tempertaur pada proses evaporasi
14
2.9 Faktor koreksi untuk alat penukar kalor shell and tube
37
4.7 Sketsa aliran uap dan gas buang pada evaporator
4.13 Susunan pipa selang – seling
4.17 Grafik efisiensi sirip
67
4.16 Susunan pipa selang – seling
64
4.15 Sketsa aliran uap dan gas buang pada preheater
61
4.14 Grafik efisiensi sirip
56
53
40
4.12 Sketsa aliran uap dan gas buang pada ekonomiser
49
4.11 Grafik efisiensi sirip
47
4.10 Profil luas penampang area evaporator
44
4.9 Susunan pipa selang – seling
42
4.8 Sketsa rancangan pipa – pipa evaporator
72