AUDIT ENERGI PADA WHB (WASTE HEAT BOILER) UNTUK PEMENUHAN KEBUTUHAN PADA PROSES UREA (STUDI KASUS PADA PT PETROKIMIA GRESIK-JAWA TIMUR). Mohammad khatib ..2411106002 Dosen pembimbing: Dr. Ridho Hantoro, ST. MT.
Ir. Sarwono, MM.
PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK FISIKA JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2013
LATAR BELAKANG Pupuk Urea merupakan salah satu produk unggulan Di PT Petrokimia. Steam yang dihasilkan dari proses WHB,
Audit energy akan menghasilkan Peningkatan efisiensi Thermal. Dan dapat mengurangi jumlah energi yang terbuang sehingga dapat mengurangi biaya yang dikeluarkan.
“Pratiwi Hera” “Audit
energy pada proses produksi pupuk Urea PT Pupuk Kujang
“Untuk memproduksi 1 kg urea dibutuhkan energi sebesar 6,083.23 kJ yang terdiri dari energi uap bertekanan 42 kg/cm2 sebesar 5,845.63 kJ (berasal dari utility plant), 220.85 kJ diperoleh dari energi listrik, 16.74 kJ ketel. Sisanya sebesar 0.0014 kJ diperoleh dari energi manusia. Efisiensi penggunaan ut yaitu 39.54%, 43.39%, 39.97% dan 75.53%.
Penelitian terdahulu
O.A.Rosyid,Pudjo W.H,Diding F ’’Studi penghematan energy pada unit ketel uap di pabrik gula (B2TEBPPT)“
Sebuah metode audit energi rinci dilakukan untuk mengidentifikasi konsumsi aktual energi, kerugian energi.Dan potensi penghematan energi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa potensi penghematan energi untuk boiler adalah sekitar 11%. energi utama ukuran hemat adalah untuk meningkatkan efisiensi boiler dari 64% sampai 75%.
TUJUAN
Melakukan audit energi pada WHB waste head boiler sebagai pengahsil steam untuk proses produksi urea.
4
Bagaimana mengetahui kinerja dan peluang penghematan energy pada WHB.
Memberikan rekomendasi guna Meningkatkan effisiensi pada WHB sehingga dapat mengurangi terjadinya penurunan hasil produksi steam.
PERMASALAHAN
Permasalahan dalam tugas akhir ini
Bagaimana melakukan audit energy pada proses WHB unit utilitas PT.Petrokimia gresik Bagaimana mengetahui Kinerja (efisiensi pada siklus) Pompa,Kondensor,Turbin,WHB Bagaimana mengetahui kebutuhan steam dari WHB untuk proses urea
BATASAN MASALAH Penelitian dilakukan pada WHB unit utilitas pabrik 1 produksi urea PT. Petrokimia Gresik. Penelitian dilakukan pada hasil produksi steam untuk produksi urea PT. Petrokimia Gresik Bahan bakar yang digunakan pada WHB adalah gas alam (Natural Gas) dan gas buang dari GTG
6
flow chart alur penelitian pada sistem WHB A Start
Studi literatur
Survei Energi
Pemodelan matetatis berdasar siklus rankine dan neraca kalor dan massa pada WHB dan Turbin
Melakukan perhitungan dari: 1.Mengetahui perhitungan dari WHB
Melakukan audit awal pengumpulan data: 1.Profil penggunaan sumber-sumber energy 2.Konsumsi bahan bakar (mmbtu) 3.Penggunaan energi pada WHB hingga menjadi steam 4.Besarnya produksi steam yang digunakan untuk proses pada pabrik Urea Pengambilan data actual WHB pada control room meliputi: 1.Pressure HP,LP,temperature HP,LP 2.Flow BFW,DSH,STEAM,Natural Gas 3.Konsumsi Natural Gas. 4.Steam yang dihasilkan pada proses WHB. 5.Temperatur Furnace dan Stack 6.Steam masuk dan keluar pada Turbin.
7
2.Mengetahui perhitungan dari Kondensor
TIDAK
3.Mengetahui perhitungan dari Turbin 4.Mengetahui perhitungan dari Pompa
YA
Efisiensi besar (%)
Pengolahan data
Analisa peluang untuk melakukan optimasi sebagai rekomendasi penghematan energy yang di lakukan
A
Selesai
LP DRUM SUPER HEATER
BURNER
HP DRUM
Komponenkomponen WHB Untuk pemenuhan steam di pabrik Urea
TURBIN
ECONOMIZER
EVAPORATOR FEED WATER PUMP
Waste heat boiler (WHB) (B2220) Type: pipa air (water tube)
Sumber panas : ketel uap non firing -Sumber panas : ex flue gas GTG -Penambahan load dengan additional firing gas alam Economizer : ada Desuperheater : ada Design kapasitas 90 Ton/jam Superheater out press : 465°C Manufactures : Fasell Lenties (Belanda)
Reaktor (DC-101) - Fungsi untuk mereaksikan NH3 cair dan gas CO2 menjadi urea solution( sebagai tempat pembentukan urea). - Type plug flow reactor - Tekanan operasi :175kg/cm2 - Temperature :190°C - NH3/CO2: 4,0mol/mol - H2O/CO2:0.64mol/mol - Waktu tinggal :36menit - Jumlah baffle:9late - Design:-tekanan :184kg/cm2 - temperature :220°C - Dimensi (IDx tinggi): (2550x28000)mm - Material :CS + SS316 UG - Tahun pembuatan :1992 - Manufacture:BSL industries –FRANCE
Diagram blok pada WHB mainstack
m 7 S heater 1
Q2
m19
Hp drum
Q3
m 4
m 8
m 6
Flash vessel
S heater 2
Gas buang dari GTG
Q1 Burner
m 1
m 20
Turbin
Natural gas
Q4
Economi zer
m 15
m 2
Q5
m 14
Feed waterpump
m 3
Blowdown Tank
17 m
m 10
LP drum
m 13
m 18
m 5
HP evaporato r
m 9
12 m
Dearator
m 11 Condenso r
Lp evaporato r
m 16
m 21
Faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja Boiler(Asme standart PTC-4-1 power test code for steam Generating units).
Berbagai faktor yang mempengaruhi kinerja boiler tercantum di bawah ini: pembersihan berkala boiler Program pengolahan air yang tepat dan blowdown control Draft control kontrol udara berlebih persentase pemuatan boiler pemanfaatan kembali Tekanan uap dan suhu kualitas bahan bakar
Siklus Rankine Kinerja siklus rankine pada WHB Waste heat boiler Terdapat pada gambar berikut.
Mengacu pada gambar 2. Dapat dijelaskan sebagai berikut. . Proses 1-2 terjadi ekspansi isentropik di dalam turbin yang menyebabkan tekanan menjadi turun. Proses 2-3 terjadi pembuangan panas ke lingkungan oleh kondensor pada tekanan konstan Proses 3-4 terjadi kompresi isentropik yang terjadi di dalam pompa, hal ini mengakibatkan tekanan fluida kerja menjadi naik. Proses 4-1 terjadi penambahan panas dengan tekanan konstan di dalam boiler
Diagram blok siklus Rankine Pada WHB m in m exhaus m fuel
WHB (Waste heat Boiler)
T1
Turbin
m Vapor
m Vapor m Liquid
T4
Pompa
T3
m Liquid
Wp
T2
Kondenser
Wt
Perbandingan siklus Ideal terhadap siklus aktual
Mengacu pada gambar 2. Dapat dijelaskan sebagai berikut. . Proses 1-2 terjadi ekspansi isentropik di dalam turbin yang menyebabkan tekanan menjadi turun. Proses 2-3 terjadi pembuangan panas ke lingkungan oleh kondensor pada tekanan konstan Proses 3-4 terjadi kompresi isentropik yang terjadi di dalam pompa, hal ini mengakibatkan tekanan fluida kerja menjadi naik. Proses 4-1 terjadi penambahan panas dengan tekanan konstan di dalam boiler
Mengacu pada gambar 2. Dapat dijelaskan sebagai berikut. Proses 1-2 terjadi ekspansi adiabatik yang aktual pada turbin disertai kenaikan entropi Proses 1-2s kerja yang dihasilkan per unit masa lebih kecil daripada ekspansi isentropik Proses 2-3 terjadi pembuangan panas ke lingkungan oleh kondensor pada tekanan konstan Proses 3-4 terjadi kompresi isentropik yang terjadi di dalam pompa, hal ini mengakibatkan tekanan fluida kerja menjadi naik. Proses 3-4s terjadi masukan kerja pada proses pemompaan lebih besar untuk proses isentropik Proses 4-1 terjadi penambahan panas dengan tekanan konstan di dalam boiler
Mengetahui nilai kalor pada Burner Burner EXH .cp.T m
BB .HHV m exhaush.cp.T Qburner m
Q
Qburner 119.208 x 47.137 139.5 x831.097 Qburner 121.557kj / kg Dimana:
BB .HHV m
3.1 Tabel untuk menghitung interpolasi mencari h entalpi Kemudian di dapatkan nilai X dari interpolasi sebagai berikut: T-inlet (°K ) 800 808.3 820
Entalpi (kJ/kg) 821.95 X 843.98
Diperoleh nilai h pada tabel A.22 dengan interpolasi
m BB =Laju massa bahan bakar kj/kg m exh =Laju massa exhaush gas kj/kg m Cp =Kalor exhaush kj/kg
HHV =High heating Value (47.137) data teknis
lapangan T =Temperatur exhaush K
808.3 800 X 821,95 820 800 820 821,95 X 831.097kj / kg Dari perhitungan interpolasi untuk mencari nilai h (enthalpy) ditemukan nilai X = 831.097 kj/kg
Proses 1 siklus rankine m
in
m
h h 1
4
in m (h1 h4 ) m
Dimana:
: Laju massa fuel dan exhaust (kg/s) m Qin : Laju perpindahan Kalor dari sumber energy ke dalam fluida kerja per unit massa yang melalui boiler (kj/kg)
bawah ini;
Maka perhitungan secara siklus terdapat di
m in m fuel m exhaus WHB (Waste
T1
heat Boiler) T4
Liquid m
Pompa
Vapor m
m in m fuel m exhaust m in 119,2 139,5 258,7 kg / s Dimana : Ti 460 F (vapor) Tabel h1 1205,5 T2 200 F 168,07(liquid ). m (h1 h4 ) 258,7(1205,5 147,99) 273.578MW .
Proses 2 siklus rankine T1
Turbin
Wt
W
m
Vapor m Vapor m
T2
Kondenser Selanjutnya adalah perhitungan daya dan kinerja turbin :
( h1 h2 ) WT m 65800kj / kg(1205,5 168,0) 68262894 Dimana : h1 1205,5kj / kg(vapor) h2 200 F 168,07(liquid )
t
h1 h2
(h1 h2 ) Wt m Perhitungan actual yang terjadi pada Turbin dip roses WHB.dimana data actual didapat dari Wideal yang dibandingkan terhadap efisiensi maks turbin
WT .aktual
Wideal
89981.1 0.952 WT ,actual 94716.95KW WT ,aktual
Proses 3 siklus rankine WHB T4
Liquid m
Pompa
T3
Liquid m
Kondenser
Wp liquid (h4 h3 ) W p m
(h4 h3 ) W p m W p 57100(147,99 23,07 7132932 KW 7132,9 MW
Dimana; h4= uap (80°F =147,9) h3 = liquid (55°F)
T3-inlet (°F) 54 55 56 X 22.07 55 54 56 54 820 22.07 X 23.07kj / kg
Entalpi (kJ/kg) 22.07 X 24.08 Diperoleh nilai h pada tabel A.2E dengan interpolasi
Perhitungan aktual yang terjadi pada pompa di sistim WHB, selanjutnya akan di kalikan terhadap Wp ideal.
W P.aktual pompaxW p.ideal W p.aktual 1626.3x0.925 W p.aktual 1504.328KW Diperoleh kinerja actual pada Wp sebesar 1504.328KW
Proses 4 siklus rankine Turbin
Va p o r m
T2
Kondenser Liquid m
Q
T3
h2 h3 m Q out m( h2 h3 ) out
( h2 h3 ) Qout m 65800(1145,9 23,07) 73882214 KW 73882,2 MW
Dimana;
h2= uap (200°F) h3= uap (55°F)
T3-inlet (°F )
Entalpi (kJ/kg)
54
22.07
55
X
56
24.08
X 22.07 55 54 56 54 820 22.07 X 23.07 kj / kg
Efisiensi Thermal pada siklus
Wt W p Qin
Dimana: Ƞ : effisiensi thermal siklus rankin Wt : kinerja/daya turbin kW/MW Wp : kinerja pada pompa Kj/Kg Qin : laju kalor masuk pada WHB kJ/kg
89981.1 16313.04 225260.9 0.327034 32.70344%
Aplikasi Siklus Rankine pada GUI Matlab
0.39 0.38
Efisiensi(%)
0.37 0.36 0.35 0.34 0.33 Efisiensi 0.32
1
1.2
1.4 1.6 waktu(jam)
1.8
2
Data profil penggunaan Steam Pada WHB untuk proses Urea Konsentrasi larutan PH 5ton/jam
WHB (Steam)
TURBIN 50,04 ton/jam
68,55 ton/jam
Loses 3.51 ton/ja m
Diagram sunkey distribusi steam untuk proses UREA di Unit Utilitas Pabrik 1 PT Petrokimia Gresik.
produksi steam pada WHB
Profil konsumsi energi dan produksi pupuk Urea di PT Petrokimia gresik Profil konsumsi energi di pabrik 1 unit Utilitas dan Urea PT Petrokimia – Gresik Distribusi Steam
Turbin
Konsentrasi larutan PH
Recovery Urea
produksi Steam WHB Hasil produksi Bahan bakar
50,04ton/jam
5ton/jam 1200ton steam/jam 2440(mmbtu)/ton
10ton/jam
Produksi Pupuk Urea di PT Petrokimia Gresik Total produksi pupuk
1200 ton/jam
Steam pada WHB
68,55 ton/jam
Bahan bakar pada Burner
2440 (mmbtu)
Konsumsi bahan baku steam untuk 1 ton Produksi
18,23kg/ton
Konsumsi bahan bakar untuk 1 ton Steam
3559(mmbtu)
ANALISA DAN PEMBAHASAN Profil konsumsi bahan bakar pada additional burner
Konsumsi bahan bakar pada Burner dalam 1 bulan
Flow steam yang dihasilkan pada WHB
Steam yang dihasilkan oleh proses WHB dalam 1 bulan
Profil perbandingan konsumsi Water terhadap steam
Steam yang dihasilkan berpengaruh pada konsumsi air pada proses.
Profil perbandingan konsumsi bahan bakar terhadap steam
Konsumsi bahan bakar pada proses hampir sebanding dengan steam yang dihasilkan
Profil perbandingan produksi urea terhadap steam pada proses
Produksi urea mengikuti terhadap produksi steam pada proses.
Profil perbandingan Q-in terhadap Wturbin
Q-in pada proses berbanding dengan Wturbin yang dihasilkan.
Profil perbandingan Wturbin terhadap efisiensi yang dihasilkan
Wturbin yang dihasilkan sebanding dengan steam yang dihasilkan pada proses
Profil perbandingan produksi natural gas terhap efisiensi
Kondisi yang dihasilkan tidak stabil antar konsumsi natural gas terhadap efisiensi
Perbandingan kondisi aktual terhadap kondisi ideal pada siklus
Profil perbandingan produksi turbin ideal terhadap turbin aktual
Kondisi aktual lebih tinggi dari kondisi ideal
Profil perbandingan produksi pompa ideal terhadap pompa aktual
Kondisi ideal lebih tinggi dari kondisi aktual
Perbandingandari Q-in (KW) dengan Turbin
Menambah konsumsi listrik pada proses GTG sehingga exhaust yang dihasilkan semakin tinggi dan penggunaan natural gas pada burner semakin kecil, hal ini dapat mempengaruhi perbandingan penggunaan bahan bakar terhadap efisiensi thermal. . Dimana diketahui untuk menghasilkan 22MW listrik untuk kebutuhan di pabrik 1 membutuhkan 8691 MMBtu/day. Sedangkan additional Burner membutuhkan bahan bakar pada proses di WHB sebesar 2440 MMBtu/day . apabila konsumsi bahan bakar pada burner dikurungi menjadi 1440MMBtu/day dan menambahkan konsumsi bahan bakar pada proses GTG menjadi 9691MMBtu/day akan dihasilkan 25MW listrik, sehingga akan dapat meningkatkan efisiensi thermal pada proses.
kesimpulan Steam yang dihasilkan WHB sebesar 68.55ton/jam, digunakan untuk menggerakkan turbin pada proses urea sebesar 50.04ton/jam, 10ton/jam digunakan untuk Recovery urea dan 5ton/jam . dan loses sebesar 03.51ton/jam pada proses turbin. Penggunaan steam dari proses WHB digunakan untuk menggerakkan turbin sebesar 77%, digunakan untuk recovery Urea sebesar 15% dan 8% digunakan untuk konsentrasi larutan Urea. Kinerja actual pada Wp sebesar 1504.328KW dan diperoleh data actual pada proses WHB adalah sebesar 94716.95 KW. Peluang penghematan energi yang dapat dilakukan yakni dengan cara pengoptimalisasi terhadap kinerja GTG sehingga mengurangi konsumsi bahan bakar pada burner.
SARAN Melakukan pengoptimalisasi kinerja pada proses GTG sehingga dapat mengurangi konsumsi bahan bakar pada burner. Untuk melakukan pengembangan pada penelitian lebih lanjut tentang audit energi pada sistem pembangkit. Dalam satu sistem pembangkit uap dan gas diharapakan untuk lebih mengevaluasi tentang kinerja sistem pembangkit kombinasi antara pembangkit listrik tenaga gas dan pembangkit listrik tenaga uap, sehingga akan diperoleh kinerja dari sebuah sistem kombinasi dimana effisiensi thrmal pada sistem pembangkit dengan kombinasi tenaga gas dan uap.
Thank You! - End of presentation -
PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK FISIKA JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2013
