ANALISA TERMODINAMIKA PADA SISTEM PEMBANGKIT TENAGA UAP DENGAN VARIASI PEMBEBANAN DI UNIT PEMBANGKIT TENAGA UAP PT

ANALISA TERMODINAMIKA PADA SISTEM PEMBANGKIT TENAGA UAP DENGAN VARIASI PEMBEBANAN DI UNIT PEMBANGKIT TENAGA UAP PT. PERTAMINA (PERSERO) REFINERY UNIT IV CILACAP

SKRIPSI Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh: FAJRIL AR RAHMAN (100401014)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015

ABSTRAK Analisis termodinamika dilakukan untuk mengetahui efisiensi termal dari siklus Pembangkit Listrik Tenaga Uap. Siklus Rankine merupakan prinsip dasar termodinamika yang lazim digunakan untuk menentukan kinerja dan efisiensi dari suatu pembangkit tenaga.Pada Sistem Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) RU IV Cilacap telah dilakukan analisa termodinamika untuk mengetahui efisiensi termal dan penggunaan bahan bakar untuk kondisi pembebanan yang berbeda. Analisa termodinamika dilakukan dengan cara menentukan kondisi fluida pada

komponen-komponen utama Sistem Pembangkit

Tenaga Uap. Kemudian ditentukan efisiensi termal pada siklus dan jumlah penggunaan bahan bakarnya. Pada pembebanan 15 MW memiliki efisiensi sebesar 24,44 % dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 5,589 ton/hr. Pada pembebanan 16 MW memiliki efisiensi sebesar 24,53 % dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 5,893 ton/hr. Pada pembebanan 17 MW memiliki efisiensi sebesar 24,62 %dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 6,319 ton/hr. Dan pada pembebanan 18 MW memiliki efisiensi sebesar 24,67 %dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 6,568 ton/hr.

Kata kunci : analisis temodinamika, PLTU, siklus Rankine, efisiensi termal

ABSTRACT Thermodynamic analysis was conducted to determine the thermal efficiency of the cycle Steam Power Plant. Rankine cycle is a thermodynamic basic principles that are commonly used to determine the performance and efficiency of a power plant. On Steam Generating System PT. Pertamina (Persero) RU IV Cilacap thermodynamic analysis has been conducted to determine the thermal efficiency and fuel use for different loading conditions. Thermodynamic analysis was done by determining the condition of the fluid on the main components of Steam Power Generating System. Then determined the thermal efficiency of the cycle and the amount of fuel consumption. On loading of 15 MW has an efficiency of 24.44% with the use of fuel oil fuel 5,589 tons / hr. On loading of 16 MW has an efficiency of 24.53% with the use of fuel oil fuel 5,893 ton / hr. At 17 MW load has an efficiency of 24.62% with the use of fuel oil fuel 6,319 ton / hr. And the imposition of 18 MW has an efficiency of 24.67% with the use of fuel oil fuel 6,568 ton / hr.

Keywords: analysis of thermodynamics, power plant,Rankine cycle, thermal efficiency

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT, yang selama ini telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Penelitian Tugas Akhir di PT.Pertamina (PERSERO) Refinery Unit IV Cilacap. Penelitian ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “Analisa Efisiensi Siklus Rankine Pada Sistem Pembangkit Tenaga Uap di PT. Pertamina (PERSERO) Refinery Unit IV Cilacap”

Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis selama pelaksanaan Penelitian Tugas Akhir maupun dalam penyusunan laporan. Untuk itu, melalui pengantar ini penulis menyampaikan terima kasih kepada : 1. Orang tua dan saudara-saudara tercinta yang selalu memberikan doa dan semangat kepada penulis 2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara 3. Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT selaku Dosen Pembimbing penulis di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara 4. Bapak Abdi Restu Daud, S.E yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk melaksanakan penelitian ini di PT. Pertamina (PERSERO) Refinery Unit IV Cilacap 5. Bapak Fredy Prijasetia, S.T selaku Section Head di Utilities Complex yang telah menerikan tempat kepada penulis untuk melaksanakan penelitian ini. 6. Mas M. Tofik Ariyadi selaku pembimbing lapangan penulis yang membantu penulis dalam peninjauan ke lapangan.

7. Mas Edward Natal H.S yang memberikan data-data yang penulis butuhkan dalam penelitian ini. 8. Semua pihak yang telah memberikan bantuannya kepada penulis selama pelaksanaa penelitian dan penyusunan laporan ini. Penulis menyadari bahwa laporan ini belum sempurna, baik segi teknik maupun segi materi. Oleh sebab itu, penulis juga mengharapkan kritik dan saran membangun demi terciptanya laporan yang lebih baik di masa yang akan datang. Akhir kata, penulis berharap laporan ini dapat memberikan manfaat bagi pembacanya.

Medan,

April 2015

Fajril Ar Rahman

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK .......................................................................................................... i KATA PENGANTAR ........................................................................................ iii DAFTAR ISI ...................................................................................................... v DAFTAR TABEL............................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... x DAFTAR SIMBOL ............................................................................................ xiii BAB I PENDAHULUAN .................................................................................. 1 1.1 Latar Belakang ................................................................................. 1 1.2 Tujuan Penelitian ............................................................................. 2 1.3 Batasan Masalah ............................................................................... 2 1.4 Manfaat Penelitian ........................................................................... 2 1.5 Sistematika Penulisan ...................................................................... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 4 2.1 Dasar Termodinamika ....................................................................... 4 2.1.1 Siklus Termodinamika ....................................................... 4 2.1.2 Properti dan Proses ............................................................. 4 2.1.3 Sifat Ekstensif dan Intensif ................................................ 5 2.1.4 Volume Spesifik ................................................................. 5 2.1.5 Tekanan .............................................................................. 5 2.1.6Temperatur .......................................................................... 7 2.1.7Fase...................................................................................... 7 2.1.8Sistem .................................................................................. 7 2.1.9Batas Sistem ........................................................................ 8 2.1.10Lingkungan........................................................................ 8

2.1.11Zat Murni........................................................................... 9 2.1.12 Hukum Pertama Termodinamika ..................................... 9 2.2 Perubahan Fase pada Zat Murni ........................................................ 9 2.2.1 Cair Tekan (Compreesed Liquid) ....................................... 10 2.2.2 Cair Jenuh (Saturation Liquid)........................................... 10 2.2.3 Campuran Air-Uap (Liquid-Vapor Mixture) ...................... 11 2.2.4 Uap Jenuh (Saturated Vapor)............................................. 12 2.2.5 Uap Panas Lanjut (Superheated Vapor) ............................. 12 2.3Diagram Perubahan Fase ................................................................... 13 2.3.1 Diagram T-v ....................................................................... 13 2.3.2 Diagram P-T ...................................................................... 14 2.3.3 Diagram P-v ....................................................................... 15 2.4Tabel Properti .................................................................................... 15 2.4.1 Entalpi ............................................................................... 16 2.4.2 Keadaan cair jenuh dan uap jenuh...................................... 16 2.4.3Keadaan Campuran Air dan Uap ....................................... 17 2.4.4Keadaan uap panas lanjut ................................................... 19 2.4.5Keadaan Cair Tekan ........................................................... 19 2.5 Analisis Energi .................................................................................. 19 2.5.1 Bentuk Energi ..................................................................... 20 2.5.2 Kerja Aliran ........................................................................ 20 2.5.3 Total Energi pada Fluida yang Mengalir............................ 21 2.5.4 Analisis Energi pada Sistem Aliran Steady ........................ 21 2.6 Entropi ............................................................................................... 24 2.6.1 Definisi Entropi .................................................................. 24 2.6.2 Penggunaan Persamaan T dS ............................................. 25 2.6.3 Penggunaan Diagram Entropi ............................................ 26 2.7Pembangkit Listrik Tenaga Uap ....................................................... 29 2.8Siklus Ideal Turbin Uap .................................................................... 29 2.9 Siklus Rankine Reheat Ideal ............................................................. 30

2.10 Siklus Rankine Regeneratif Ideal .................................................... 32 2.10.1 Open Feedwater Heaters................................................... 32 2.10.2Closed Feedwater Heaters ................................................. 33 2.11Analisis Energi Pada Sistem Pembangkit Listrik................................ 34 2.11Analisis Overall Efficiency ................................................................ 36 2.13 Analisis Jumlah Penggunaan Bahan Bakar ....................................... 37 2.14 REFPROP........................................................................................ 38 2.15 SteamTab ......................................................................................... 41 2.16 Computer Aided Thermodynamic Tables 2(CATT2) ...................... 43 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ........................................................... 47 3.1Tempat dan Waktu Penelitian ........................................................... 47 3.1.1 Tempat Penelitian .............................................................. 47 3.1.2Waktu Penelitian ................................................................ 47 3.2 Alat dan Bahan .................................................................................. 47 3.2.1 Alat ..................................................................................... 47 3.2.2 Bahan .................................................................................. 52 3.3 Prosedur Penelitian............................................................................ 52 3.4 Analisa Data ...................................................................................... 57 3.5 Skema Alur Pengerjaan Skripsi ....................................................... 59 BAB IV ANALISIS DATA ............................................................................... 60 4.1 Siklus Rankine Aktual ...................................................................... 60 4.2Perhitungan Kerugian Siklus Rankine Aktual ................................... 65 4.2.1 Perhitungan Beban 15 MW ................................................ 65 4.2.2 Perhitungan Beban 16 MW ................................................ 73 4.2.3 Perhitungan Beban 17 MW ................................................ 81 4.2.4 Perhitungan Beban 18 MW ................................................ 89 4.3 Hubungan Antara Pembebanan Terhadap Efisiensi Termal Sistem Pembangkit Tenaga Uap ........................................... 98 4.4 Hubungan Antara Jumlah Penggunaan Bahan Bakar Terhadap Pembebanan ...................................................................... 100 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ 103 5.1 Kesimpulan ...................................................................................... 103 5.2 Saran ................................................................................................. 103 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 105 LAMPIRAN ........................................................................................................ x

DAFTAR TABEL Tabel 3.1Data Pengamatan Boiler ...................................................................... 53 Tabel 3.2Data Pengamatan Turbin Uap .............................................................. 54 Tabel 3.3Data Pengamatan Kondenser ............................................................... 54 Tabel 3.4Data Pengamatan Pompa BFW............................................................ 55 Tabel 3.5Data Pengamatan BFW Tank ............................................................. 55 Tabel 3.6Data Pengamatan Pompa Deaerator.................................................... 56 Tabel 3.7Data Pengamatan Deaerator ................................................................ 56 Tabel 3.8Data Pengamatan Pompa Boiler .......................................................... 57 Tabel 3.9Data Pengamatan Economizer ............................................................. 57 Tabel 4.1Hasil Perhitungan Efisiensi Termal ..................................................... 98 Tabel 4.2Analisa Penggunaan Bahan Bakar ....................................................... 101

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Hubungan antara tekanan absolut, tekanan atmosfer Tekanan gauge, dan tekanan vakum ............................... 6 Gambar 2.2. Sistem termodinamika.................................................................... 8 Gambar 2.3 Konservasi energi ............................................................................ 9 Gambar 2.4 Air pada fase cair tekan (compressed liquid) .................................. 10 Gambar 2.5 Air pada fase cair jenuh (saturated liquid) ......................................... 11 Gambar 2.6 Campuran air dan uap ...................................................................... 11 Gambar 2.7 Uap jenuh (saturated vapor) ............................................................. 12 Gambar 2.8 Uap panas lanjut (superheated vapor) ............................................. 12 Gambar 2.9 Diagram T-v pemanasan air pada tekanan konstan.....................13 Gambar 2.10 Diagram T-v untuk proses perubahan fase pada beberapa variasi tekanan ............................................... 14 Gambar 2.11 Diagram P-T.................................................................................. 15 Gambar 2.12 Diagram P-V ................................................................................. 15 Gambar 2.13 Contoh Tabel A-4.......................................................................... 16 Gambar 2.14 Kualitas uap air ............................................................................. 18 Gambar 2.15 Skema untuk kerja aliran............................................................... 21 Gambar 2.16 Massa dan energi didalam volume atur pada kondisi aliran steady ..................................................... 22 Gambar 2.17 Diagram temperatur-entropi .......................................................... 27 Gambar 2.18 Diagram entalpi-entropi ................................................................ 27 Gambar 2.19 Skema pembangkit listrik tenaga uap ........................................... 28 Gambar 2.20 Siklus rankine sederhana ............................................................... 29 Gambar 2.21 Siklus rankine reheat .................................................................... 31

Gambar 2.22 Siklus Rankine Regeneratif dengan Open Feedwater Heater....................................................................................... 32 Gambar 2.23 Siklus Rankine Regeneratif dengan Closed Feedwater Heater .................................................................................... 34 Gambar 2.24 REFPROP ..................................................................................... 38 Gambar 2.25 Menu Substance ............................................................................ 39 Gambar 2.26 Saturation table of water............................................................... 39 Gambar 2.27 Diagram T-S air ............................................................................ 40 Gambar 2.28 ChemicaLogic SteamTab Companion ........................................... 42 Gambar 2.29 Fungsi untuk fase uap,cair dan campuran ..................................... 43 Gambar 2.30 Fase Superheated dan Subcooled .................................................. 43 Gambar 2.31 Fase uap konstan ........................................................................... 44 Gambar 2.32 Computer Aided Thermodynamic Tables 2(CATT2) .................... 44 Gambar 2.33 Tabel General Properties ............................................................... 45 Gambar 2.34 Diagram T-S .................................................................................. 45 Gambar 2.35 Tampilan data CATT2 ................................................................... 46 Gambar 2.36 Fluida pada CATT2 ....................................................................... 46 Gambar 3.1Manometer ....................................................................................... 47 Gambar 3.2 Termometer ..................................................................................... 48 Gambar 3.3 Orificemeter .................................................................................... 48 Gambar 3.5 Laptop ............................................................................................. 49 Gambar 3.6Screenshoot Software Chemicalogic Steam Tab.............................. 50 Gambar 3.7Screenshoot Software Computer Aided Thermodynamic Table ...... 51 Gambar 3.8 Screenshot Software Refprop .......................................................... 51 Gambar 3.9Alur pengerjaan skripsi .................................................................... 59 Gambar 4.1.Skema Sistem Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) RU IV Cilacap ......................................... 61

Gambar 4.2. Diagram T-S siklus Rankine Sistem Pembangkit Tenaga Uap .................................................... 62 Gambar 4.3. Grafik Hubungan Pembebanan dengan Efisiensi Termal ............. 98 Gambar 4.4. Grafik Hubungan Kerugian q in dengan Pembebanan................... 99 Gambar 4.5. Grafik Hubungan Daya Turbin dengan Efisiensi Termal .............. 100 Gambar 4.6. Grafik Hubungan Jumlah Bahan Bakar terhadap Beban ............... 101 Gambar 4.7. Grafik Hubungan Panas Pembentukan Uap terhadap Beban ......... 102

DAFTAR SIMBOL

SIMBOL

ARTI

SATUAN

P

Tekanan

kg/cm2

T

Suhu

o

h

Entalpi

kj/kg

s

Entropi

ṁ

Flow rate

kJ/(𝑘𝑘𝑘𝑘𝑜𝑜 𝐶𝐶 )

ton/hr

ρ

Massa jenis

kg/m3

v

volume specific

m3/kg

Cp

Specific heat

kJ/kg.C

𝑊𝑊𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 ,𝑖𝑖𝑖𝑖

Kerja pompa

kJ/hr

𝑞𝑞𝑖𝑖𝑖𝑖

Panas masuk

kJ/hr

𝑞𝑞𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

Panas keluar

kJ/hr

𝜂𝜂𝑡𝑡ℎ

Efisiensi termal

%

Q

Panas yang dibutuhkan

kJ/kg

LHV

Low Heat Value

kJ/kg

g

Percepatan grafitasi

m/s2

𝑊𝑊𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 ,𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

Kerja turbin

kJ/hr

C