JURNAL TEKNIK FISIKA Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
Analisa Eksergi Dan Termoekonomi Pada Plant Penstabilan Kondensat Neni Opin Wijaya , Gunawan Nugroho, Sarwono . Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri , Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya, Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak— Telah dilakukan analisa eksergi dan termoekonomi pada sistem penstabilan kondensat untuk mengetahui nilai pemusnahan eksergi, efisiensi eksergi dan besar biaya rugi eksergi pada komponen dalam sistem tersebut. Tujuan dari analisa ini adalah untuk mengetahui besar efisiensi yang mempengaruhi performansi sistem ini dengan menggunakan metode analisis eksergi dan termoekonomi. Besarnya nilai eksergi dan biaya rugi eksergi dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah perbedaan fasa dan besar masukan juga keluaran proses yang dapat berimbas pada efisiensi dan besar biaya rugi eksergi komponen tersebut. Dari hasil olahan data yang didapatkan,nilai pemusnahan eksergi berbanding lurus pada besarnya biaya rugi eksergi pada suatu komponen. Pada plant penstabil kondensat ini, nilai pemusnahan eksergi dan rugi biaya eksergi paling tinggi didapatkan pada 1st stage separator sebesar 674.282 MW dan 12.881 Rp/day. Sedangkan efisiensi total sistem ini sebesar 60% , sehingga dapat dikatakan bahwa performansi sistem penstabil kondensat ini cukup baik.
komponennya karena harus bekerja pada temperature tinggi dan adanya unsur kimia bahan bakar minyak yang korosif (sulfur, dll). Dalam perkembangan pengetahuan material yang terus berkembang, hal tersebut mulai dapat dikurangi meskipun tidak dapat secara keseluruhan dihilangkan. Hal ini dapat menyebabkan turunnya efisiensi energi dan performansi sistem untuk proses tersebut. Oleh karenanya, perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk menganalisa efisiensi dan performansi sistem ini. Adapun batas ruang lingkup dari penelitian ini antara lain, dalam analisis ini, proses-proses dipertimbangkan sebagai aliran stedi keadaan stedi (steady state steady flow). Sebagai tambahan efek energi kinetik dan energi potensial diabaikan. Software yang digunakan sebagai interface untuk perhitungan analisa ini adalah software Visual Basic. II. URAIAN PENELITIAN
Kata Kunci—Eksergi, Efisiensi., Kondensat, Termoekonomi.
I. PENDAHULUAN ADA industri pengeboran sumur gas, biasanya hasil akhir atau produk jadi yang dijual kepada konsumen adalah gas alam murni dan kondensat. Namun yang terkandung dalam hasil pengeboran pada sumur gas tak hanya sebatas gas dan kondensat, terdapat pula lumpur, dan air. Oleh karenanya perlu dilakukan proses pemisahan untuk memisahkan antara fasa gas dan liquid . Kondensat adalah sebuah fraksi berat gas yang terkandung didalam aliran yang berupa cairan yang berasal dari hasil pengeboran sumur minyak. Pada umumnya, sebelum dijual kepada konsumen, kondensat diproses dan mengalami perubahan tekanan dan temperature tertentu sehingga berubah fasa menjadi cair. Data proses penstabilan kondensat yang akan digunakan pada tugas akhir ini merupakan data yang bearsal dari plant Onshore Processing Facilities milik PT Santos Indonesia Pty Ltd. Proses pemisahan atau separasi air, gas, dan kondensat yang terkandung dalam hasil pengeboran sumur minyak pada PT Santos Indonesia Pty Ltd ini membutuhkan dua fase pemisahan awal pada dua buah separator sebelum dilakukan pemrosesan lebih lanjut. Peralatan yang digunakan diantaranya adalah separator, heat exchanger, pompa, condensate tank, dan drain tank. Pada proses pemisahan antara air, gas dan kondensat di separator 1 dan 2, dibutuhkan heat exchanger untuk menjaga temperature agar tetap pada temperature tertentu yang telah ditentukan untuk menghasilkan kondensat yang lebih stabil. Namun, peralatan proses ini memiliki kekurangan, yaitu sifatnya yang korosif pada material yang digunakan untuk komponen-
P
A. Tahap perhitungan Pada bab ini akan membahas mengenai analisa eksergi, rugi eksergi dan biaya rugi eksergi pada sistem penstabilan kondensat. Tahapan utama tersebut meliputi pemodelan per komponen sistem penstabilan kondensat agar dapat dianalisa lebih lanjut, membuat perancangan dan simulasi software sebagai kalkulator sistem untuk mempermudah pengguna dalam mengetahui hasil perhitungan eksergi beserta rugi-rugi dan biayanya secara otomatis. Untuk membantu dalam tahap perhitungan, maka dilakukan penetapan inisialisasi masukan dan inputan pada setiap komponen dengan cara penomeran untuk kondensat dan huruf untuk gas seperti yang tertera pada gambar 1 berikut ini..
Gambar. 1. Inisialisasi input output proses
Rata-rata temperatur lingkungan saat pengambilan data
JURNAL TEKNIK FISIKA Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 secara acak pada bulan Mei 2012 adalah 39.6°C atau 312.6°K. Nilai T0 adalah tetap untuk perhitungan eksergi masing-masing komponen. Tabel 1. Merupakan variabel eksergi pada masing-masing komponen. N Komponen Variabel Fungsi o. 1. 1st stage T1,h1,s1 masukan separator T2,h2,s2 masukan T3,h3,s3 keluaran Ta,ha,sa keluaran 2. pre heater T4,h4,s4 masukan T5,h5,s5 masukan T8,h8,s8 keluaran T9,h9,s9 keluaran 3. 2nd stage T6,h6,s6 masukan separator T7,h7,s7E7 keluaran T10,h10,s10 keluaran 4. condensate tank T11,h11,s11 masukan T12,h12,s12 keluaran Keterangan : - penamaan masing-masing variabel dimulai dari a dan 1-12 membedakan jenis fluida kerjanya. Huruf menandakan gas, sedangkan angka menandakan kondensat. -T adalah temperatur, h adalah enthalpy, s adalah enthropy.
Untuk menghitung pemusnahan eksergi, diperlukan berbagai macam variabel proses yang mendukung perhitungan sesuai dengan jenis masukan maupun keluarannya. Pada Tabel 3.2 dibawah ini dijelaskan variabel yang digunakan pada masing-masing komponen untuk perhitungan pemusnahan eksergi. Tabel 2. Variabel yang digunakan dalam perhitungan No. Komponen Variabel Nilai Satuan Kg 1. 1st stage ρ 768.51 /m2 separator m 0.00397 m2/s Ta, T1, T2, 31.7 °C T3 T0 39.6 °C Kg 2. pre heater ρ 653.9 /m2 2 m 0.00397 m /s T4 31.7 °C T5 62.8 °C T8 90 °C T9 36.7 °C T0 39.6 °C Kg 3. 2nd stage ρ 645.49 /m2 separator m 0.00397 m2/s T6 62.8 °C T7 90 °C T10 90 °C T0 39.6 °C Kg 4. condensate ρ 768.51 /m2 tank m 0.00397 m2/s T11, T12 32 °C T0 39.6 °C Keterangan : - penamaan masing-masing variabel dimulai dari a dan 112 membedakan jenis fluida kerjanya. Huruf menandakan gas, sedangkan angka menandakan kondensat. - ρ adalah density, m adalah flow rate, T adalah temperatur.
2 B. Tahap perancangan desain dan simulasi program Perancangan dan simulasi software ini menggunakan Visual Basic 6.0 yang kemudian akan dikemas dalam bentuk aplikasi agar mudah digunakan oleh pengguna. Perancangan desain software ini meliputi perhitungan eksergi, efisiensi sistem, dan rugi biaya eksergi. Coding atau pengalamatan yang digunakan pada program ini. III. HASIL PENELITIAN A. Hasil Perhitungan Berikut yang tertulis pada tabel 1 adalah data sekunder plant yang diambil per bulan Mei 2012. Pada tabel tersebut berisikan data dari komponen Ist stage separator, 2nd stage separator, pre heater, dan condensate tank. Data variabel yang dicantumkan meliputi data pressure,temperature,flow rate, dan beberapa variabel pendukung proses lainnya yang digunakan dalam proses perhitungan. Komponen Ist stage separator
pre heater
2nd stage separator
Variabel
Tabel 3 Data Proses Desain satuan
Vessel Pressure Interface Level Vessel Level Out Gas Pressure In Gas Pressure Purge Gas Pressure Gas Flow to HP Gas Flow to LP Condensate Flow inlet press of E020 B (tube side) inlet temp of E020 B (tube side) outlet press of E 020 B (shell s) outlet temp of E020 B (shell side) inlet press of E020 A (shell side) inlet temp of E020 A (shell side) outlet press of E020 A (tube side) outlet temp of E020 A (tube side) Press Vessel Vessel Level Heater Temp
condensate tank environment
Pressure Temperature Pressure Outlet Temp.
1216 18-36 57-75 1216 600900
Kpa % % KPa
Rata-rata @24 jam 676.3 78.0 173.1 680.0
KPa
679.8
1520
KPa
149.4
4.0-34 4.0-34 <12.8
scfm scfm Lt/Hr
13.4 5.8 87.4
KPa
700.0
o
C
KPa o
C
KPa
31.7 400.0 36.8 400.0
o
C
90
KPa
700.0
o
<450 63-79 100120 15-150 0-65 1 <60
C KPa %
o
C mmH2O o C atm o C
62.8 399.3 50.0 110 71.6 32.0 1 39.6
Setelah dilakukan perhitungan, didapatkan keseluruhan hasil data perhitungan yang meliputi perhitungan pemusnahan eksergi, efisiensi eksergi, dan biaya rugi eksergi sebagai berikut seperti yang tertera pada tabel 4 berikut ini.
Tabel 4
JURNAL TEKNIK FISIKA Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
No. 1.
Komponen 1st Stage Separator
2.
Pre Heater
3.
2nd Stage Separator
4.
Condensate Tank
Hasil Perhitungan E Ėd (MW) E1 in 674.282 E2 in E3 out Ea out E4 in 32.057 E8 in E5 out E9 out E6 in 232.65 E7 out E10 out E11 in 0 E12 out
η 71.8
Cost (Rp/day) 12881.48
3.41
612.416
24.7 7
4444.54
0
eksergi tertinggi terdapat pada komponen 1st stage separator , hal ini disebabkan karena nilai keluaran eksergi yang dihasilkan lebih besar bila daripada nilai masukan eksergi pada komponen tersebut. Salah satu hal yang menyebabkan besarnya pemusnahan eksergi pada 1st stage separator ini adalah keluaran yang berbeda fasa pada salah satu outlet, yakni pada Ea yang fasanya berupa gas. Sedangkan pada komponen 2nd stage separator, pre heater, dan condensate tank fluida kerjanya memiliki fasa yang sama. Perbandingan besarnya efisiensi eksergi pada tiap-tiap komponen
0
η
Dari Tabel 2 diatas, dapat diketahui bahwa Condensate Tank mengalami dead state pada pemusnahan ekserginya. Hal ini dikarenakan besar jumlah masukan dan keluaran prosesnya sama besar, sehingga bernilai nol untuk semua perhitungan pada komponen tersebut. Tingkat keadaan mati atau dead state terjadi bila tingkat keadaan sistem sama dengan tingkat keadaan lingkungan. Bila tingkat keadaan suatu zat berbeda dengan lingkungan, maka akan ada kesempatan untuk menghasilkan kerja. Makin dekat tingkat keadaan zat dalam komponen condensate tank tersebut dengan lingkungan, makin hilang kesempatan melakukan kerja ini. Bila tingkat keadaan keduanya sama, maka diperoleh tingkat keadaan mati, dimana keduanya mempunyai energi,tetapi eksergi sistem terhadap lingkungan adalah nol. Hasil perhitungan untuk masing-masing komponen berpengaruh pada efisiensi dan performansi komponen tersebut. Seperti pada komponen 1st stage separator, hasil pemusnahan eksergi yang didapatkan sebesar 674.282 MW, berasal dari dua buah masukan yakni variabel E1,E2 dan dua buah keluaran, yakni variabel E3,Ea. Artinya jumlah eksergi yang hilang adalah sebesar 674.282 MW. Nilai keluaran yang lebih besar dibanding nilai masukan pada komponen tersebutlah yang menyebabkan besarnya kerugian eksergi. Semakin besar rugi eksergi yang hilang, maka biaya yang dibutuhkan juga semakin banyak. Efisiensi komponen yang bernilai 71.8 didapatkan dari pembagian keluaran dan masukan pada komponen 1st stage separator. Berikut pada Grafik 1 dibawah ini adalah grafik mengenai perbandingan besarnya pemusnahan eksergi pada tiap komponen sistem penstabilan kondensat. Perbandingan besarnya pemusnahan eksergi pada tiap-tiap komponen
800 600 400 200 0
3
Ed (MW)
80 60 40 20 0 1st Stage Pre Heater 2nd Stage Condensate Tank Separator Separator Grafik 2 Perbandingan besarnya efisiensi eksergi pada tiap-tiap komponen.
Dari grafik 2 diatas, dapat diketahui bahwa efisiensi tertinggi terdapat pada komponen 1st stage separator, hal ini disebabkan karena nilai keluaran yang dihasilkan lebih besar bila dibandingkan dengan nilai masukan pada komponen tersebut. Apabila nilai efisiensi semakin tinggi, maka sistem tersebut dapat dikatakan baik, karena energi yang dibutuhkan untuk memulai kerja pada sistem secara keseluruhan lebih kecil dari pada energi yang dihasilkan. Efisiensi sistem penstabilan kondensat ini secara keseluruhan adalah senilai 60.10%. Dengan efisiensi sistem tersebut, maka sistem secara keseluruhan masih memiliki performansi yang cukup baik untuk sebuat plant gas yang baru berdiri selama 3 tahun. Perbandingan besarnya biaya rugi eksergi pada tiap-tiap komponen
cost (Rp/day) 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 1st stage separator
1st stage separator
pre heater
2nd stage condens separator tank
Grafik 1 Perbandingan besarnya pemusnahan eksergi pada tiap-tiap komponen
Dari grafik 1, dapat diketahui bahwa nilai pemusnahan
pre heater
2nd stage condensate separator tank
Grafik 3 Perbandingan besarnya biaya rugi eksergi pada tiap-tiap komponen
Pada Grafik 3 dapat diketahui bahwa biaya rugi eksergi yang paling tinggi adalah biaya untuk komponen 1st stage separator hal ini berbanding lurus dengan besarnya jumlah pemusnahan eksergi atau eksergi yang hilang pada komponen tersebut. Seperti yang dapat dilihat pada Tabel 1 dimana nilai
JURNAL TEKNIK FISIKA Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 pemusnahan eksergi tertinggi terdapat pada komponen 1st stage separator , hal itu mepengaruhi besarnya biaya rugi eksergi pada komponen tersebut. Berbeda dengan komponen pre heater , nilai pemusnahan ekserginya kecil, sehingga biaya rugi eksergi yang dibutuhkan juga sedikit. Dari perancangan desain dan simulasi yang telah dilakukan, didapatkan hasil yang hamper sesuai dengan perhitungan manual. Terdapat error sebesar +- 3 angka di belakang koma. Hal ini disebabkan karena interpolasi yang dilakukan hanya sebatas 3 3 angka di belakang koma. Pada tahap awal perancangan desain software, interpolasi merupakan poin penting dan utama dalam perancangan desain, karena ketepatan hasil interpolasiu mempengaruhi hasil perhitungan eksergi dari awal hingga akhir. Interpolasi dilakukan untuk Tabel A.3 dan Tabel A.22 seperti yang telah disebutkan pada poin 3.1 sebelumnya. Nilai h dan s yang telah didapat dari hasil masukan temperature sebagai acuan pada Tabel A.3 dan Tabel A.22 baik dengan cara interpolasi maupun didapat secara langsung, kemudian digunakan sebagai masukan untuk perhitungan eksergi untuk masing – masing komponen. Hasil perhitungan eksergi disambungkan dengan perhitungan efisiensi. Begitu juga dengan hasil perhitungan efisiensi yang disambungkan dengan kolom perhitungan biaya. Setiap tahap perhitungan dilakukan untuk masing – masing komponen. Metode link atau penyambungan antar perhitungan yang dilakuka berguna agar apabila hasil perhitungan pemusnahan eksergi didapatkan, maka hasil untuk efisiensi dan biaya rugi ekserginya juga dapat langsung terlihat scara keseluruhan Berikut seperti yang terlihat pada gambar 1 adalah tampilan program perhitungannya secara keseluruhan.
Gambar 2 Tampilan program perhitungan
B. Persamaan Perhitungan eksergi dilakukan sesuai masukan dan keluaran proses pada tiap komponen. Didapatkan dengan menghitung nilai e pada masing-masing komponen dengan menggunakan persamaan : (3.1) ṁ. ec = ṁ ( h – T0 . s) Maka untuk pemusnahan eksergi pada 1st stage separator didapatkan persamaan : (3.2) Edsep1 = (e1 + e2 ) − (e3 + ea) Untuk pre heater didapatkan persamaan : (1.3) Edpre = (e4 + e8 ) − (e5 + e9) Untuk 2nd stage separator didapatkan persamaan : Edsep2 = (e6 ) − (e7 + e10)
4 Untuk condensate tank didapatkan persamaan : (3.4) Edcond = (e11 − e12) Setelah didapatkan semua nilai pemusnahan ekserginya, kemudian mencari nilai efisiensinya. Sehingga untuk rumus umum untuk tiap komponen didapatkan persamaan : (3.5) ηsep1 = (Edc / Edtotc) x 100% Untuk menghitung biaya rugi eksergi, acuan yang digunakan untuk biaya adalah tarif dasar listrik per kWh. Dengan perhitungan ini, dapat diketahui besarnya rugi biaya eksergi. Untuk menghitung biaya rugi eksergi, acuan yang digunakan untuk biaya adalah tarif dasar listrik Indonesia per bulan Mei 2012 sebesar Rp. 796.00,- per kWh. Perhitungan termoekonomi didapatkan dengan persamaan : (3.6) Dengan : c = biaya Rupiah per hari E = eksergi MW TDL = tariff dasar listrik Hour = waktu proses IV. KESIMPULAN
Semakin tinggi nilai efisiensi suatu komponen, maka menyatakan bahwa performansinya semakin baik. Nilai efisiensi tertinggi sebesar 71% terdapat pada komponen pre heater dan terendah sebesar 0%, terdapat pada komponen condensate tank. Sedangkan efisiensi sistem secara keseluruhan adalah sebesar 60% yang artinya adalah performansi system penstabilan kondensat ini masih cukup baik. Nilai tertinggi pada eksergi yang hilang terdapat pada komponen 1st stage separator, yaitu sebesar 674.282 MW. Hal ini disebabkan karena adanya perbedaan fasa yang terdapat pada komponen tersebut. Sedangkan nilai terendah eksergi yang hilang terdapat pada komponen condensate tank, yaitu sebesar 0%. Hal ini dikarenakan pada condensate tank terjadi dead state, karena keadaan proses sama dengan keadaan lingkungan disekitarnya, sehingga tidak ada selisih eksergi yang dapat dimanfaatkan UCAPAN TERIMA KASIH “Penulis N.O.W (inisial nama mahasiswa) mengucapkan terima kasih kepada Bapak dosen Pembimbing dan segenap Kru OPF Grati Santoa atas segala bantuan hingga terwujudnya penelitian ini”. Penulis juga diperkenankan menyampaikan ucapan terima kasih kepada sponsor penyedia dana penelitian. DAFTAR PUSTAKA [1] Agung Alexander, Santosa Waris.2003.”Analisis CostEffectiveness Sistem Pembangkit Uap Pada Pabrik Gula Madukismo Menggunakan Metode Exergi”, Forum Teknik Jilid 27.
JURNAL TEKNIK FISIKA Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 [2] Çolpan, Can Özgür.2005.” Exergy Analysis Of Combined Cycle Cogeneration Systems”, Repository Middle East Technical University. [3] Dincer,I.2002.”The Role Of Exergy In Energy Policy Making”,Energy Policy,Vol.30,pp.137-149. [4] Masanori Shukuya, Abdelaziz Hammache.2002.”Introducti on To The Concept Of Exergy”, VTT TIEDOTTEITA – Research Notes 2158. [5] Michael J. Moran, Howard N. Shapiro.2004.”Fundamentals of Engineering Thermodynamics”, John Wiley & Sons. [6] Opin Wijaya, Neni. 2012.” Sizing Control Valve (9820Lv-0151 A; 9820-Lv-0151 B; 9820-Pv-0151 A) Di Onshore Processing Facilities Pt Santos Indonesia Pty Ltd, Grati Pasuruan Jawa Timur”. [7] Sigalingging, Riswanti.2002.”Analisis Energi Dan Eksergi Pada Produksi Biodiesel Berbahan Baku Cpo(Crude Palm Oil)”,Repository IPB.
5
