PERANCANGAN TERMAL HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR SISTEM TEKANAN DUA TINGKAT DENGAN VARIASI BEBAN GAS TURBIN

• – TUGAS AKHIR TM141585

  

PERANCANGAN TERMAL HEAT RECOVERY

STEAM GENERATOR SISTEM TEKANAN DUA

TINGKAT DENGAN VARIASI BEBAN GAS TURBIN ANSON ELIAN NRP. 2112100142 Dosen Pembimbing Bambang Arip Dwiyantoro, S.T, M.Eng, Ph.D JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 201

  7

  TUGAS AKHIR – TM141585

PERANCANGAN TERMAL HEAT RECOVERY STEAM

GENERATOR SISTEM TEKANAN DUA TINGKAT DENGAN

VARIASI BEBAN GAS TURBIN

  ANSON ELIAN NRP. 2112100142 Pembimbing: Bambang Arip Dwiyantoro, S.T, M.Eng, Ph.D JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2016

  FINAL PROJECT – TM141585

THERMAL DESIGN OF TWO PRESSURE LEVEL HEAT

RECOVERY STEAM GENERATOR WITH GAS TURBINE LOAD

  VARIATION ANSON ELIAN Registration No. 2112100137 Academic Advisor: Bambang Arip Dwiyantoro, S.T, M.Eng, Ph.D DEPARTMENT MECHANICAL ENGINEERING Faculty of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2016

  

PERANCANGAN TERMAL HEAT RECOVERY

STEAM GENERATOR SISTEM TEKANAN DUA

TINGKAT DENGAN VARIASI BEBAN GAS TURBIN

Nama mahasiswa : Anson Elian NRP : 2112100142 Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS

Dosen Pembimbing : Bambang Arip D., S.T, M.Eng, Ph.D

Abstrak

  Seiring dengan meningkatnya perkembangan ekonomi

suatu negara, maka akan meningkat juga kebutuhan terhadap

energi terkhusus pada energi listrik. Salah satu upaya yang dapat

dilakukan guna meningkatkan produksi tenaga listrik dengan

penggunaan energi bahan bakar fosil seefisien mungkin adalah

mendirikan siklus kombinasi PLTGU (Pembangkit Listrik Tenaga

Gas dan Uap). Gas yang keluar dari turbin gas masih memiliki

temperatur yang tinggi. Temperatur yang tinggi ini dimanfaatkan

untuk mengubah air menjadi uap di dalam HRSG. Maka

dilakukan perancangan termal HRSG dengan tujuan memahami

tahapan perhitungan perancangan alat penukar panas dalam

pemanfaatan gas buang turbin gas serta mengetahui pengaruh

perbedaan beban gas buang turbin terhadap hasil uap pada

perancangan suatu HRSG.

  Studi perancang termal ini dilakukan dengan

menganalisa data input berupa laju alir massa keluaran gas

turbin, temperatur keluaran gas turbin, kandungan keluaran gas

turbin, temperatur uap keluar HRSG, dan tekanan uap keluar

HRSG. Langkah awal adalah menentukan beban kalor pada

setiap modul agar dapat menentukan distribusi temperatur pada

HRSG. Kemudian masing-masing dari modul HRSG ditentukan

luas permukaan perpindahan panas. Lalu, pressure drop dan

efisiensi pada sistem HRSG diukur. Terakhir yaitu analisa ii

  

HRSG. Terdapat 4 variasi beban turbin gas yaitu saat 100 %,

90%, 80%, dan 70%. Dari variasi tersebut, dapat ditinjau

perbedaan laju alir massa uap/air yang dibutuhkan dari masing-

masing beban gas turbin.

  Hasil yang diperoleh dari perancangan ini adalah untuk

_{o o}

mengubah air dari 70 C menjadi uap 401 C menggunakan gas

_o

buang turbin bertemperatur 437

₂

C, dibutuhkan luas perpindahan

panas total sebesar 25.966,51 m . Dari analisa variasi beban gas

turbin, didapat bahwa semakin tinggi beban gas turbin maka

akan semakin tinggi laju alir massa air/uap yang dapat

dihasilkan, yaitu pada beban gas turbin 70% didapat 15 kg/s,

pada beban gas turbin 80% didapat 15,3 kg/s, pada beban gas

turbin 90% didapat 17,37 kg/s, dan pada beban gas turbin 100%

didapat 18,59 kg/s.

  

Kata kunci : Efisiensi, HRSG, Kalor, Koefisien Perpindahan

Panas

  

THERMAL DESIGN OF TWO PRESSURE LEVEL

HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR WITH

GAS TURBINE LOAD VARIATION

Student Name : Anson Elian NRP : 2112100142 Department : Mechanical Engineering FTI-ITS

Academic Advisor : Bambang Arip D., S.T, M.Eng, Ph.D

Abstract

  As the economic development of a country increases, the

demand of energy especially in the electrical energy also

increases. One effort that can be done to increase the production

of electricity by the use of fossil fuel energy as efficiently as

possible is to establish a combined cycle power plant. The exit

gas from the gas turbine still has a high temperature. This high

temperature is used to convert water into steam in the HRSG.

Therefore, a thermal design calculation of HRSG needs to be

done in order to understand the procedure of the design

calculations as well as to learn how different content of the

turbine exhaust gas entering the HRSG to the steam results in the

design of a HRSG.

  The thermal design analysis is done by analyzing the

input data in the form of the mass flow rate, the output

temperature, and the content of the gas that comes out from the

gas turbine, the temperature and the pressure of the steam that

come out of the HRSG. The initial step of the calculation is to

determine the heat requirement in each module in order to get the

temperature distribution in the HRSG. Then the heat transfer

surface area of each module in the HRSG needs to be calculated.

Then, pressure drop and efficiency of the HRSG system is

measured. One final analysis of the influence of the load variation

of the output of steam turbine of the HRSG. There are four

variations of the gas turbine load is currently 100%, 90%, 80% iv

  

and 70%. From these variations, can be reviewed difference in

the efficiency of each gas turbine load.

  From the thermal design calculation, we can conclude

that in order to convert 70°C water into 401°C steam using the

gas turbine exhaust gas with a temperature of 437°C, it requires

₂

a total heat transfer area of 25.966,51 m . From the analysis of

variations in gas turbine load, we found that the higher the load

of the gas turbine, the higher the amount of water/steam mass

flow that can be obtain, that is at the gas turbine load of 70% we

obtained 15 kg/s of steam, at the gas turbine load of 80% we

obtained 15,3 kg/s of steam, at the gas turbine load of 90% we

obtained 17,37 kg/s of steam, and at the gas turbine load of 100%

we obtained 18,59 kg/s of steam.

  

Keywords : Efficiency, HRSG , Heat, Heat Transfer Coefficient

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, taufik, dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Perancangan Termal Heat Recovery Steam Generator Sistem Tekanan Dua Tingkat Dengan Variasi Beban Gas Turbin

  ”. Tugas akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk meraih gelar sarjana teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

  Penyusunan laporan ini tidak terlepas dari bantuan, bimbingan, dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

  1. Mama, Papa, Wabwab, Totok dan segenap keluarga besar yang telah memberikan segalanya bagi penulis

  2. Bapak Bambang Arip D., S.T, M.Eng, Ph.D selaku dosen pembimbing yang telah memberikan ilmu, bimbingan, saran, waktu, dan pikirannya sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.

  3. Bapak Prof. Dr. Eng Prabowo M.Eng, Dr. Bambang Sudarmanta, S.T, dan Ary Bachtiar K.P., ST, MT, PhD. selaku dosen penguji yang telah memberikan kritik dan saran demi kesempurnaan tugas akhir ini.

  4. Ryan Hidayat, Agung, Nabil, Arif, dan seluruh Pengurus LDJ Ash shaff yang telah membuat masa perkuliahan lebih berwarna.

  5. Angkatan M55 yang senantiasa memberikan bantuan dan dukungan.

  6. Pak Bintoro untuk tempat kami bernaung ketika bingung garap TA

  7. Segenap Bapak/Ibu Dosen Pengajar dan Karyawan di Jurusan S1 Teknik Mesin ITS, yang telah banyak memberikan ilmu serta bantuan selama menjalani kuliah.

  Tugas akhir ini diharapkan dapat bermanfaat dan vi konversi energi. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih ada kekurangan dan kesalahan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran guna penyempurnaan selanjutnya.

  Surabaya, 23 Januari 2017 PENULIS

  2.4.1. Rahmad Sugiharto

  2.2.1. Pengaturan Aliran dalam Alat Penukar Kalor ............. 9

  2.4. Penelitian Terdahulu ...................................................... 27

  2.3.4. Efisiensi Termal HRSG............................................. 27

  2.3.3. Profil Temperatur pada HRSG .................................. 25

  2.3.2. Tingkat Tekanan HRSG ............................................ 23

  2.3.1 Modul-Modul HRSG ................................................. 21

  2.3. Heat Recovery Steam Generator (HRSG) ..................... 21

  2.2.5. Penurunan Tekanan dalam Alat Penukar Panas ........ 20

  2.2.4. Persamaan Force Convection dalam Proses Boiling . 17

  2.2.3. Persamaan Force Convection Satu Fase ................... 13

  2.2.2. Persamaan Dasar dalam Perancangan ......................... 9

  2.2. Alat Penukar Kalor .......................................................... 9

  

DAFTAR ISI

  2.1. Siklus Kombinasi ............................................................. 5

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA .............................................. 5

  1.6. Sistematika Penulisan ...................................................... 4

  1.5. Manfaat Penelitian ........................................................... 4

  1.4. Batasan Masalah .............................................................. 3

  1.3. Tujuan Penelitian ............................................................. 3

  1.2. Rumusan Masalah ............................................................ 2

  1.1. Latar Belakang ................................................................. 1

  BAB I PENDAHULUAN ........................................................ 1

  HALAMAN JUDUL HALAMAN PENGESAHAN ABSTRAK ............................................................................... i ABSTRACT ............................................................................ iii KATA PENGANTAR .............................................................. v DAFTAR ISI .......................................................................... vii DAFTAR GAMBAR .............................................................. xi DAFTAR TABEL ................................................................. xiii

• – Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW ...... 27

  viii BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................... 29

  3.1. Tahap-Tahap Penelitian Tugas Akhir ............................ 29

  3.2. Spesifikasi Teknis Perancangan ..................................... 32

  3.3. Tahap Perhitungan HRSG.............................................. 36

  3.3.1. Tahap Perhitungan Mencari Beban Kalor dan Temperatur Exhaust .................................................................... 36

  3.3.2. Tahap Perhitungan Mencari Koefisien Perpindahan Panas Sisi Luar ................................................................... 39

  3.3.3. Tahap Perhitungan Mencari Luas Perpindahan Panas Serta Dimensi Tube ................................................. 40

  3.3.4. Tahap Perhitungan Mencari Pressure Drop ............... 47

  3.3.5. Tahap Perhitungan Mencari Efisiensi HRSG ............ 50

  3.3.6. Tahap Perhitungan Pengaruh Variasi ........................ 51

  BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ............... 53

  4.1. Perhitungan Beban Kalor dan Temperatur..................... 53

  4.1.1. Perhitungan Beban Kalor dan Temperatur pada HP Superheater .............................................................. 53

  4.1.2. Perhitungan Beban Kalor dan Temperatur pada HP Evaporator ................................................................ 56

  4.1.3. Perhitungan Beban Kalor dan Temperatur pada HP Economizer .............................................................. 58

  4.1.4. Perhitungan Beban Kalor dan Temperatur pada LP Evaporator ................................................................ 59

  4.1.5. Perhitungan Beban Kalor dan Temperatur pada LP Storage ..................................................................... 61

  4.1.6. Perhitungan Beban Kalor dan Temperatur pada LP Economizer .............................................................. 63

  4.1.7. Distribusi Temperatur pada HRSG ........................... 65

  4.2. Perhitungan Luas Perpindahan Panas Serta Jumlah Tube.................................................................. 65

  4.2.1. Perhitungan Luas Perpindahan Panas Serta Jumlah Tube pada HP Superheater ................................................. 66

  4.2.2. Perhitungan Luas Perpindahan Panas Serta Jumlah Tube pada HP Evaporator ................................................... 78

  ix

  4.2.3. Perhitungan Luas Perpindahan Panas Serta Jumlah Tube pada HP Economizer ................................................. 85

  4.2.4. Perhitungan Luas Perpindahan Panas Serta Jumlah Tube pada LP Evaporator ................................................... 88

  4.2.5. Perhitungan Luas Perpindahan Panas Serta Jumlah Tube pada LP Economizer ................................................. 90

  4.3. Perhitungan Pressure Drop ............................................ 93

  4.3.1. Pressure Drop pada HP Superheater ......................... 93

  4.3.2. Pressure Drop pada HP Evaporator ........................... 93

  4.3.3. Pressure Drop pada HP Economizer ......................... 93

  4.3.4. Pressure Drop pada LP Evaporator ........................... 93

  4.3.5. Pressure Drop pada LP Economizer ......................... 94

  4.4. Perhitungan Efisiensi ..................................................... 94

  4.5. Analisa Variasi Beban Turbin ....................................... 95

  4.5.1. Beban turbin pada load 90% ..................................... 97

  4.5.2. Beban turbin pada load 80% ..................................... 98

  4.5.3. Beban turbin pada load 70% ..................................... 99

  4.5.4. Grafik Perbandingan Laju Alir Massa Air/Uap ...... 101

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................... 103

  5.1. Kesimpulan .................................................................. 103

  5.2. Saran ............................................................................ 105 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

  x

  

Halaman Ini Sengaja Dikosongkan

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Skema diagram siklus kombinasi ........................ 5Gambar 2.2. Ilustrasi aliran-aliran pada alat penukar kalor: (a)

  

parallel flow (b) counter flow (c) cross flow ....................... 10

Gambar 2.3. Grafik nilai F dalam cross flow heat exchanger 12Gambar 2.4. Grafik efisiensi fins ........................................... 13Gambar 2.5. Susunan sistem tube: (a) susunan inline (b) susunan

  ................................................................................ 16

  staggered

Gambar 2.6 Grafik hubungan faktor koreksi dalam perhitungan

  

external flow ........................................................................... 17

Gambar 2.7. Grafik nilai koefisien perpindahan panas dalam proses boiling sebagai fungsi kualitas uap .......................... 20Gambar 2.8. Skema diagram HRSG ...................................... 22Gambar 2.9. Skema diagram single pressure HRSG .............. 23Gambar 2.10. Skema diagram multi pressure HRSG ............. 24Gambar 2.11. Skema diagram multi pressure HRSG dengan sistem reheat ........................................................................... 25Gambar 2.12. Distribusi temperatur pada HRSG serta saran nilai temperatur pinch dan approach ........................................... 26Gambar 2.13. Diagram alir perancangan instalasi gabungan

  Rahmad ............................................................................... 28

Gambar 3.1. Alur analisa perancangan HRSG ....................... 30Gambar 3.2. Skema HRSG Beserta Siklus Kombinasi .......... 34Gambar 3.3. Distribusi temperatur HRSG yang di analisa..... 35Gambar 3.4. Alur perhitungan mencari beban kalor dan temperatur stack .................................................................. 37Gambar 3.5. Alur perhitungan mencari koefisien perpindahan panas sisi luar ...................................................................... 38Gambar 3.6. Alur perhitungan membagi perhitungan tergantung modul HRSG ....................................................................... 39Gambar 3.7. Alur perhitungan mencari koefisien perpindahan panas sisi dalam tube bagian economizer ............................ 40

  xii

Gambar 3.8. Alur perhitungan mencari luas perpindahan panas sisi dalam tube bagian economizer ...................................... 42Gambar 3.9. Alur perhitungan mencari koefisien perpindahan panas sisi dalam tube bagian evaporator ............................. 43Gambar 3.10. Alur perhitungan mencari luas perpindahan panas sisi dalam tube bagian evaporator ....................................... 43Gambar 3.11. Alur perhitungan mencari koefisien perpindahan panas sisi dalam tube bagian superheater ............................ 45Gambar 3.12. Alur perhitungan mencari luas perpindahan panas sisi dalam tube bagian superheater ...................................... 46Gambar 3.13. Alur perhitungan hasil akhir mencari luas perpindahan panas ............................................................... 47Gambar 3.14. Alur perhitungan mencari pressure drop ......... 49Gambar 3.15. Alur perhitungan mencari efisiensi HRSG ...... 50Gambar 3.16. Alur perhitungan menentukan pengaruh variasi beban turbin terhadap temperatur keluar fluida ................ 52Gambar 4.1. Analisa pada modul HP Superheater ................. 53Gambar 4.2. Analisa pada modul HP Evaporator .................. 56Gambar 4.3. Analisa pada modul HP Economizer ................. 58Gambar 4.4. Analisa pada modul LP Evaporator ................... 59Gambar 4.5. Analisa pada deaerator ....................................... 61Gambar 4.6. Analisa pada modul LP Economizer ................. 63Gambar 4.7. Distribusi temperatur desain HRSG .................. 65Gambar 4.8. Skema dimensi tube ........................................... 68Gambar 4.9. Perancangan tube bundle ................................... 68Gambar 4.10. Susunan tube .................................................... 71Gambar 4.11. Grafik Laju Alir Massa Air/Uap Terhadap Variasi

  Beban ................................................................................. 101

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Nilai konstanta dari C1 hingga C5 ........................ 18Tabel 2.3. Nilai untuk berbagai jenis fluida .................... 18Tabel 3.1 Data desain PLTGU ............................................... 32Tabel 3.2. Variasi beban gas turbin beserta properties pada tingkat keadaan a ............................................................................. 36Tabel 4.1. Balance massa pada modul HP Superheater ........ 54Tabel 4.2. Balance energi pada modul HP Superheater ........ 56Tabel 4.3. Balance massa pada modul HP Evaporator ......... 56Tabel 4.4. Balance energi pada modul HP Evaporator ......... 57Tabel 4.5. Balance massa pada modul HP Economizer ......... 58Tabel 4.6. Balance energi pada modul HP Economizer......... 59Tabel 4.7. Balance massa pada modul LP Evaporator .......... 60Tabel 4.8. Balance energi pada modul LP Evaporator .......... 61Tabel 4.9. Balance massa pada deaerator.............................. 62Tabel 4.10. Balance energi pada sistem deaerator ................ 63Tabel 4.11. Balance massa pada modul LP Economizer ....... 63Tabel 4.12. Balance energi pada modul LP Economizer ....... 64Tabel 4.13. Data beban turbin 90% ........................................ 95Tabel 4.14. Variasi laju alir massa pada beban gas turbin 90% .......................................................... 97Tabel 4.15. Data beban turbin 80% ........................................ 98Tabel 4.16. Variasi laju alir massa pada beban gas turbin 80% .......................................................... 99Tabel 4.17. Data beban turbin 70% ........................................ 99Tabel 4.18. Variasi laju alir massa pada beban gas turbin 70% ........................................................ 100

  xiv

  

Halaman Ini Sengaja Dikosongkan

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

  Seiring dengan meningkatnya perkembangan ekonomi suatu negara, maka akan meningkat juga kebutuhan terhadap energi terkhusus pada energi listrik. Hal ini tidak terkecuali bagi Indonesia yang merupakan negara berkembang dengan tingkat pertumbuhan penduduk yang tinggi. Dengan meninjau hal tersebut, perlu adanya suatu peningkatan dalam hal produksi tenaga listrik dalam negeri.

  Akan tetapi, untuk peningkatan sektor industri dan produksi tenaga listrik ini dibutuhkan sumber energi yang dapat mendukung. Salah satu sumber energi ini adalah bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil sendiri merupakan jenis energi yang tidak dapat diperbarui. Dengan kata lain, jenis energi ini ketersediaannya semakin berkurang karena penggunaan terus- menerus seiring dengan berjalannya waktu. Oleh karena itu, pemanfaatan energi ini harus seefisien mungkin agar menghasilkan manfaat ekonomi yang dapat terbaik dan dampak negatif terhadap lingkungan yang minimum.

  Salah satu upaya yang dapat dilakukan guna meningkatkan produksi tenaga listrik dengan penggunaan energi bahan bakar fosil seefisien mungkin adalah mendirikan siklus kombinasi PLTGU (Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap). PLTGU merupakan gabungan antara PLTG (Pembangkit Listrik Tenaga Gas) dengan PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap). Kedua jenis pembangkit ini digabung dengan menggunakan alat yang disebut HRSG (Heat Recovery Steam Generator). Peran HRSG di sini dapat meningkatkan produksi tenaga listrik dengan penggunaan energi bahan bakar fosil seefisien mungkin dikarenakan HRSG menggantikan peran boiler pada PLTU yang dimana boiler masih menggunakan metode pembakaran sementara HRSG memanfaatkan gas buang pada PLTG.

  2 Pada PLTG, udara masuk pada ke dalam kompresor untuk dinaikkan tekanannya. Lalu udara terkompresi masuk ke ruang bakar. Bahan bakar diinjeksi ke dalam ruang bakar dan diikuti dengan proses pembakaran bahan bakar tersebut. Energi panas hasil pembakaran diserap oleh udara, meningkatkan temperatur udara, dan menambah volume udara. Udara bertekanan yang telah menyerap panas hasil pembakaran, berekspansi melewati turbin gas. Sudu-sudu turbin yang merupakan nozzle-nozzle kecil berfungsi untuk mengkonversikan energi panas udara menjadi energi kinetik. Energi ini digunakan untuk memutar generator listrik. Udara hasil ekspansi tersebut meninggalkan turbin gas dalam kondisi tekanan yang rendah tetapi pada temperatur yang masih relatif tinggi. Energi panas ini yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan uap pada PLTU menggunakan HRSG. Hasil uap ini yang kemudian digunakan untuk memutar sudu-sudu turbin uap.

  Dalam kaitannya dengan hal di atas, untuk mengetahui lebih jauh mengenai perancangan HRSG dan efisiensi yang dapat dihasilkan oleh HRSG, akan dilakukan analisa perancangan termal HRSG. Pada skripsi ini, perancangan HRSG berdasarkan data mengenai turbin gas dengan daya 62,48 MW beserta gas buangnya.

1.2. Rumusan Masalah

  Perancangan HRSG merupakan lingkup yang luas untuk diteliti. Untuk itulah pada tugas akhir ini diambil beberapa permasalahan utama, diantaranya yaitu:

  1. Bagaimana mendapatkan besar beban kalor pada rancangan HRSG?

  2. Berapa besar luas penampang tempat terjadinya perpindahan kalor pada rancangan HRSG?

  3. Berapa besar pressure drop yang terjadi sepanjang tube pada HRSG?

  4. Berapa efisiensi yang dihasilkan pada rancangan HRSG?

  3

  5. Mengetahui pengaruh gas turbine load terhadap performa HRSG.

  4. Analisa desain HRSG dilakukan pada kondisi gas turbine load sebesar 100%.

  3. Desain HRSG menggunakan pendekatan heat exchanger dengan jenis aliran cross flow.

  2. Sistem beroperasi pada kondisi tunak (steady state).

  1. Analisa berdasarkan data desain siklus kombinasi yang menggunakan turbin gas Roll Royce-Trend 60RR dengan konstruksi 1x1x1.

  Pada analisa rancang bangun ini digunakan batasan masalah agar memperjelas ruang lingkup analisa. Batasan masalah yang digunakan adalah:

  1.4. Batasan Masalah

  4. Mengetahui efisiensi yang dihasilkan pada rancangan HRSG.

  5. Bagaimana pengaruh gas turbine load terhadap output HRSG?

  tube pada HRSG

  3. Mengetahui besar pressure drop yang terjadi sepanjang

  2. Mengetahui luasan perpindahan kalor yang dibutuhkan pada rancangan HRSG.

  1. Mengetahui beban kalor yang dibutuhkan pada rancangan HRSG.

  Berdasarkan perumusan masalah di atas, tugas akhir ini memiliki tujuan yaitu:

  1.3. Tujuan Penelitian

  5. Perpindahan panas pada HRSG yang ditinjau berupa konduksi dan konveksi, tanpa memperhitungkan radiasi.

  4

  1.5. Manfaat Penelitian

  Penelitian ini diharapkan dapat menjadi acuan awal serta referensi pembelajaran dalam proses perancangan termal dan analisa performa HRSG.

  1.6. Sistematika Penulisan

  Metode penulisan yang digunakan dalam mengerjakan tugas akhir ini adalah studi pustaka, dimana dibutuhkan beberapa referensi yang mendukung demi terselesaikannya tugas akhir. Adapun sistematika dalam penulisan ini adalah sebagai berikut :

  BAB I : PENDAHULUAN Pada bab ini berisi latar belakang tugas akhir,

  rumusan masalah, tujuan penulisan, manfaat penulisan dan batasan masalah.

  BAB II : DASAR TEORI Pada bab ini berisi mengenai teori yang

  mendasari penyusunan laporan tugas akhir secara umum, khususnya yang berhubungan dengan sistem PLTGU dam HRSG.

  BAB II : METODOLOGI Pada bab ini membahas tentang metode

  penelitian, perhitungan, sasaran penelitian, teknik pengumpulan data, dan langkah analisis data, mulai dari persiapan sampai dengan kesimpulan.

  

BAB IV : PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini menguraikan analisis dan hasil

  perhitungan beban kalor, luas perpindahan panas, pressure drop, dan perbandingan antara variabel.

  BAB V : KESIMPULAN Pada bab ini menjelaskan mengenai kesimpulan

  dari keseluruhan proses perancangan termal HRSG.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Siklus Kombinasi

  Siklus kombinasi adalah kombinasi dari 2 jenis siklus, yaitu siklus Brayton (turbin gas) dan siklus Rankine (tenaga uap). Udara yang mengalir keluar dari turbin gas pada siklus Brayton masih memiliki temperatur yang tinggi. Udara panas ini dimanfaatkan untuk mengubah fase air menjadi uap pada siklus Rankine. Perpindahan panas antara udara dengan air terjadi di HRSG.

Gambar 2.1. Skema diagram siklus kombinasi

  Skema diagram alur siklus kombinasi dapat dilihat pada

gambar 2.1. Berdasarkan skema, alur proses ini dapat dijelaskan sebagai berikut (Michael J. Moran, 2004):

  1

• – 2: Merupakan proses kompresi. Udara masuk ke dalam kompresor untuk dinaikkan tekanannya. Dengan

  6 menerapkan kontrol volume pada kompresor dan menggunakan persamaan energy balance, menggunakan asumsi steady state, perpindahan panas di sekitar kompresor, energi kinetik, dan energi potensial diabaikan, didapat:

  12− 22

• 0 = ̇ − ̇ + ̇ [ℎ − ℎ + ( − )]

  1

  2

  1

  2

  2

̇

= ℎ − ℎ (2.1)

  2

  1 ̇

  dimana merupakan daya yang dibutuhkan ̇ compressor untuk menaikkan tekanan udara,

  ̇ adalah laju alir massa udara, dan h adalah enthalpi.

  2

• – 3: Merupakan proses menaikkan temperatur. Udara bertekanan tinggi dinaikkan temperaturnya pada ruang bakar. Persamaan yang dapat diterapkan pada proses ini dengan ruang bakar sebagai control volume adalah:

  ̇ = ℎ − ℎ (2.2)

  3

  2

  ̇ dimana adalah kalor yang dibutuhkan pada ruang ̇ bakar untuk menaikkan temperatur udara.

  3

• – 4: Merupakan proses ekspansi. Gas yang bertekanan dan temperatur tinggi itu dibawa ke turbin agar energi tersebut dapat dikonversi menjadi daya turbin. Dengan menerapkan kontrol volume pada turbin dan menggunakan persamaan balance energy, didapat:

  ̇ = ℎ − ℎ (2.3)

  3

  4

  ̇ dimana merupakan daya yang dihasilkan turbin. ̇

  4

• – 5: Merupakan proses pelepasan kalor. Gas yang masih panas tersebut dikeluarkan oleh turbin dibawa ke HRSG agar panasnya dapat dimanfaatkan untuk

  7 mengubah air menjadi uap pada Rankine cycle. Persamaan yang dapat diterapkan pada proses ini adalah:

  ̇ = ℎ − ℎ (2.4)

  4

  5

  ̇ dimana adalah kalor yang dibuang. ̇

  6

• – 7: Merupakan proses evaporasi. Uap bertekanan tinggi dibawa ke HRSG untuk dipa-naskan sehingga air tersebut berubah fase menjadi uap. Uap tersebut yang digunakan untuk memutar turbin. Persamaan yang dapat diterapkan pada proses ini dengan boiler sebagai

  control volume adalah:

  ̇ = ℎ − ℎ (2.5)

  7

  6

  ̇ dimana adalah kalor yang dibuang untuk ̇ mengubah fase uap menjadi air dan adalah laju

  ̇ alir massa air / uap air.

  7

• – 8: Merupakan proses ekspansi. Uap yang berasal dari boiler memiliki tekanan dan temperatur yang tinggi. Uap ini masuk ke turbin sehingga uap menggerakkan sudu pada turbin agar menghasilkan kerja. Uap yang keluar dari turbin akan memiliki tekanan yang lebih rendah daripada kondisi 1. Dengan persamaan energy balance didapat:

  ̇ = ℎ − ℎ (2.6)

  7

  8

  ̇ dimana adalah daya turbin uap yang dihasilkan. ̇

• – 9: Merupakan proses kondensasi. Uap bertekanan rendah tersebut diubah menjadi air pada kondensor. Persamaan yang dapat diterapkan pada proses ini dengan kondensor sebagai control volume adalah:
• – 6: Merupakan proses kompresi. Air yang berasal dari kondensor dinaikkan tekanannya dengan pompa kemudian dialirkan ke dalam boiler. Dengan menerapkan kontrol volume pada pompa dan menggunakan persamaan balance energi, didapat:

  − ℎ

  Alat penukar kalor (heat exchanger) adalah suatu alat

  ̇ adalah laju perpindahan kalor total ke siklus gabungan.

  ̇ adalah daya netto yang dihasilkan pada siklus turbin uap.

  ̇ adalah daya netto yang dihasilkan pada siklus turbin gas sementara

  (2.9) Di mana

  ̇ + ̇ ̇

  =

  (2.8) dimana ̇ merupakan input daya untuk pompa. Dari penjelasan di atas, persamaan yang digunakan untuk mencari efisiensi pada siklus ini adalah:

  9

  6

  8

  = ℎ

  ̇ ̇

  9

  (2.7) dimana ̇ adalah kalor yang dibuang untuk mengubah fase uap menjadi air.

  9

  − ℎ

  8

  = ℎ

  ̇ ̇

  8

2.2. Alat Penukar Kalor

  9 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 economizer,

  evaporator , superheater dan kondensor.

  2.2.1. Pengaturan Aliran dalam Alat Penukar Kalor

  Alat penukar kalor dapat diklasifikasi menjadi 3 jenis pengaturan aliran dasar, yaitu parallel flow, counter flow, dan

  

cross flow . Dalam parallel flow, fluida panas dan dingin masuk

  pada ujung yang sama, mengalir dengan arah yang sama, dan keluar pada ujung yang sama. Sebaliknya untuk counter flow, fluida panas dan dingin masuk pada ujung yang berbeda, mengalir dengan arah yang berbeda, dan keluar pada ujung yang berbeda. Untuk aliran cross flow, masuknya fluida memiliki perbedaan sudut sehingga alirannya saling bersilang. Ilustrasi aliran-aliran di atas dapat dilihat pada gambar 2.2.

  2.2.2. Persamaan Dasar dalam Perancangan

  Dalam perancangan dasar alat penukar kalor, ada dua hal dasar yang dianalisa. Hal-hal tersebut adalah perhitungan luasan perpindahan panas (sizing) dan perhitungan performa (rating) yang dicari setelah alat penukar panas selesai dibuat. Dalam menganalisa hal-hal tersebut, perlu ditentukan dahulu besar perpindahan panas, pressure drop, dan temperatur fluida yang keluar.

  10 (a)

  (c) (b)

Gambar 2.2. Ilustrasi aliran-aliran pada alat penukar kalor: (a)

  

parallel flow (b) counter flow (c) cross flow

  Dalam hukum pertama termodinamika, untuk kondisi

  

steady state, steady flow, dan mengabaikan energi kinetik dan

  potensial, persamaan yang digunakan untuk mendapatkan besar perpindahan panas adalah: = ̇∆ℎ (2.10) dimana

  ̇ adalah laju alir massa dan ∆h adalah perbedaan enthalpi fluida antara kondisi masuk dengan keluar. Jika nilai

  

specific heat yang konstan, maka persamaan 2.10 dapat ditulis

  dengan: = ̇ ∆ (2.11) dimana adalah nilai specific heat dan ∆T adalah perbedaan temperatur fluida antara kondisi masuk dengan keluar.

  Setelah mendapatkan nilai kalor yang dibutuhkan, proses

  

sizing dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan berikut:

  (2.12) = ∆T

  Dengan U adalah overall heat transfer coefficient (koefisien perpindahan kalor menyeluruh), A adalah luas permukaan

  11 adalah perbedaan suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar kalor.

  Untuk mendapatkan nilai overall heat transfer coefficient, diperlukan total tahanan termal dalam sistem perpindahan panas tersebut. Dasarnya, tahanan termal dalam sistem penukar kalor terdapat 3 jenis, yaitu sisi luar tube, sisi dalam tube, dan konduksi antara dinding tube. Persamaan overall heat transfer coefficient pada kondisi tidak ada fouling factor (faktor pengotor) dapat ditulis sebagai berikut:

  1

  1

  (2.13) = =

  ln(

  1

  1 )

  ℎ ℎ

  dimana adalah besar jari-jari luar tube (buluh), adalah besar jari-jari dalam tube, adalah koefisien perpindahan panas di ℎ dalam tube, k adalah konduktivitas thermal material tube, dan

  ℎ adalah koefisien perpindahan panas di luar tube. (log-mean temperature

  Untuk mendapatkan ∆T lmtd

  

difference) , perlu ditentukan terlebih dahulu distribusi temperatur

  pada sistem penukar kalor terhadap fungsi panjang. Persamaan ini adalah: yang digunakan untuk mencari ∆T lmtd

  

∆ −∆

  

1

  2

  (2.14) ∆T =

  ∆ 1

ln [ ]

  ∆ 2

  Dengan adalah perbedaan temperatur panas dengan dingin ∆

  1

  pada titik 1 sementara adalah perbedaan temperatur panas ∆

  2

  dengan dingin pada titik 2. , maka besarnya _{lmtd 1 2.} Jika besar ∆T ^{1 = ∆T 2} ∆T = ∆T = ∆T

  Dalam analisa sizing terhadap aliran cross flow, persamaan 2.12 dapat digunakan dengan menambahkan faktor koreksi F dan proses analisanya seperti analisa dalam counter

  flow . Sehingga persamaannya menjadi:

  (2.15) = ∆T

  12 Nilai F dapat dicari menggunakan grafik yang dapat dilihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3. Grafik nilai F dalam cross flow heat exchanger

  Grafik di atas merupakan fungsi dari nilai R dan P. Nilai R dan P sendiri memiliki persamaan:

  −

  

2

  1

  (2.16) R =

  − ℎ1 ℎ2

  dan

  − ℎ1 ℎ2

  (2.17) P =

  −

  

2

  1 Jika nilai luasan permukaan telah didapat, nilai luasan tersebut di jabarkan dalam persamaan total luas selimut.

  Persamaan untuk tube ini adalah:

  

×

  (2.18) = dimana adalah jumlah tube, L adalah panjang tube, adalah jumlah pass dalam alat penukar panas.

  Untuk tube yang memiliki fins (Luas penampang tambahan) pada sisi luarnya, maka perlu dilakukan perhitungan luas total terlebih dahulu. Untuk mendapatkan luas permukaan

  fins , digunakan persamaan:

  13

  2

  

2

2 ( − )

  = [ ]

• (2.19)

4 Dimana D adalah diameter sirip, D adalah diameter luar tube,

  _{f o} adalah tebal fin, dan N f adalah jumlah fins dalam 1 meter tube. Untuk mendapatkan nilai luas primer tube, digunakan persamaan:

  (2.20) = [ ( − )]

  Dari kedua persamaan di atas, dapat ditentukan luas total fins dengan menambahkan persamaan 2.19 dan 2.20. Adapun untuk mencari efisiensi fins dapat dilihat pada gambar 2.4.

Gambar 2.4. Grafik efisiensi fins

2.2.3. Persamaan Force Convection Satu Fase

  Force Convection adalah jenis perpindahan panas secara

  konveksi dimana fluida bergerak secara paksa dikarenakan sumber eksternal. Dalam menganalisa hal ini, perlu ditentukan terlebih dahulu apakah jenis aliran fluida yang ditinjau bersifat

  

laminar atau turbulen. Sifat ini dapat ditentukan dengan mencari

  nilai Renault Number pada aliran tersebut. Persamaan untuk menentukan Renault Number adalah: (2.21)

  = dimana adalah massa jenis dari fluida yang ditinjau, u adalah kecepatan alir fluida, dan adalah viskositas fluida. Setelah mendapat nilai dari Renault Number pada fluida yang bekerja,

  14 tersebut memiliki sifat aliran yang laminar sementara jika nilai Re > 2300 maka fluida tersebut memiliki sifat aliran yang turbulen.

  Dalam meninjau fluida dengan jenis aliran laminar, sebelum mendapatkan nilai koefisien perpindahan panas, dibutuhkan nilai Nusselt Number fluida tersebut. Persamaan

  

Nusselt Number untuk aliran laminar adalah (Sadik Kakac, 2012):

  1

  3

  (2.22) = 1.953 ( ) dimana Pe adalah Péclet Number yang besarnya sama dengan perkalian besar Renault Number dengan Prandtl Number. Setelah mendapat nilai dari Nusselt Number, nilai koefisien perpindahan panas dapat ditentukan dengan persamaan:

  (2.23) ℎ = dimana nilai k disini adalah nilai konduktivitas thermal fluida.

  Tidak jauh berbeda dalam meninjau fluida dengan jenis aliran turbulen. Yang membedakan diantara 2 hal tersebut adalah persamaan dalam menentukan besar Nusselt Number. Sebelum menentukan besar Nusselt Number dalam aliran turbulen, dibutuhkan besar koefisien gesek yang dapat dicari dengan persamaan:

  −2

  (2.24) = (1.58 ( ) − 3.28)

  Kemudian nilai Nusselt Number dapat ditentukan dengan cara:

  

( /2)( −1000)

  (2.25) =

  2

  

0.5

  3

1+12.7( ) ( −1)